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第 41 届全国中学生物理竞赛决赛实验考试标准答案
题号 一 二 总分
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本次考试共二道大题，满分 80 分；此答题纸共 2 页。
本次考试的所有解答必须写在此答题纸上指定区域，写在试题纸上和草稿纸上的解答均不能得
分。
得分 阅卷 复核
第一题（40 分）
1.1（2 分）
读数显微镜部件的名称：1. 目镜（0.5 分） 2. 调焦手轮 （0.5 分） 3. 物镜 （0.5 分）
4 测微鼓轮（0.5 分）
1.2（2 分）
（1）十字叉丝位于哪个部位？（ B ）（1 分）
（2）若观察到的牛顿环如图所示，应将牛顿环向（ A ）方向移动？ （1 分）
1.3（2 分）
读数显微镜测量结果读数为：（1） 21.251~21.255 mm； （1 分）
（2） 29.028~29.032 mm。（1 分）
1.4（2 分）
减小空程误差的操作方法是： 测量数据时只朝同一方向转动测微鼓轮（螺杆） 。
1.5（2 分）
观测牛顿环实验的光路示意图：
实验考试 第 1 页/共 5 页
1.6（2 分）
实际测量过程中，通常利用下列哪一个公式计算？（ A ）
1.7 （2 分）
牛顿环中心是亮斑，下列哪些描述是可能的原因？（ ABC ）
1.8 （6 分）
（1）平凸透镜的曲率半径 R 为 856~870 mm 。（4 分）
（2）曲率半径 R 的不确定度为 8~9 mm。（2 分）
1.9（8 分）
（1）充入待测液体后牛顿环条纹排列 变密（ 1 分） ，主要原因是 待测液体的折射率大于空气的折射
率（1 分） 。
（2）充入待测液体后，牛顿环干涉条纹的对比度（亮暗反差）变差，最主要的原因是（ B ）（2 分）
（3）能够显著提高液体薄膜干涉条纹对比度的可能措施有（ AB ）（2 分）
（4）待测液体的折射率为 1.340 。（2 分）
1.10（4 分）
（1）图中 A 点所在位置相比 O 点所在位置（ B ）（1 分）
（2）薄膜厚度 H 为 172~174 nm 。（3 分）
1.11（8 分）
（1）白光光源的牛顿环，仅能观察到几条干涉条纹，请解释原因。
光源的相干性的影响，两干涉光束在相遇点的光程差不能太大，光程差超过光源相干长度时，将无
法得到清晰的干涉图样，白光光源谱线较宽，相干性较差，所以仅能观察到几条级数很小的条纹。 （ 2 分）
（2）哪种方式获得的牛顿环干涉条纹对比度较高？（ B ）（2 分）
（3）激光笔的相干长度 Lm为 15.4 μm （3 分） ；
激光笔的谱线宽度 Δλ为 16.6 nm （1 分） 。
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第二题（40 分）
2.1（3 分）
（1）液体与毛细管璧的接触角为 19.0°~19.2° 。2 分
（2）毛细管中液体是以下哪种状态 A 。1 分
2.2（2 分）
（1）液滴在固体表面的接触角可以表示为（ C ）
2.3（11 分）
（1）实验中当电源电压为哪些值（ CD ），可以观察到水滴内部产生大量小气泡。2 分
（2）上述现象说明电解反应主要由哪种因素导致？（ B ）2分
（3）在坐标纸中画出 cos ~U 2 的关系曲线：4 分
2.3 附坐标纸
利用作图法计算碳酸丙烯酯的表面张力系数为 (3.90~4.50) 10-2 N/m。2 分
在 0 V 时，碳酸丙烯酯液滴的接触角为 73.1°~ 73.7° 。1 分
2.4（9 分）
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（1）给出透镜最优的液体材料组成（ B ）。2 分
（2）三种透镜的类型为（ B ）。1 分
有水体系透镜的焦距为 -45.5~ -46.5 mm。1 分
混合体系透镜的焦距为 -50.5~ -51.5 mm。1 分
无水体系透镜的焦距为 -67.1~ -68.1 mm。1 分
（3）计算不同电压下液体透镜的焦距及焦距无穷大时对应的电压。3 分
电压/V 0 48.8~49.2 75.0
焦距/mm -22.7~ -22.9 无穷大 16.9~17.1
2.5（6 分）
（1）当驱动电压为 75.0 V，液体透镜 NA 等于 0.40 。1 分
能够清晰看见哪些黑白条纹图案 （ AB ）。3 分
（2）若要清晰看见 800 lp/mm 标准分辨率卡的黑白条纹图案，需要进行哪些操作 （ AD ）。2 分
2.6（9 分）
（1）请画出 S 点经过该系统成像的光路图，并在 CCD 上标出像点 S’的位置。2 分
2.6 附图 请在图中画出成像光路图并标出像点 S’的位置
（2）筒镜的焦距为85.0 mm，适配的液体物镜焦距为 17.0 mm。2分
（3）物镜与筒镜之间的距离等于 248.5~249.5 mm，CCD成像单元被充分利用。2分
（4） t=1s、2s、3s对应的液体透镜驱动电压为U1= 74.9~75.1 V、U2= 76.3~76.5 V、U3=
75.6~75.8 V。1.5分
在坐标纸上画出驱动电压与时间的关系示意图：1.5 分
实验考试 第 4 页/共 5 页
驱动电压与时间的关系示意图
实验考试 第 5 页/共 5 页第41届全国中学生物理竞赛决赛
实验试题
第41届全国中学生物理竞赛决赛
实验试题
试题一牛顿环实验探究(40分)
(选择题中有多选题，多选少选不得分)
牛顿在1675年首先观察到牛顿环现象。如题图所示，当曲率半径R很大的平凸透镜的
凸面放在一平面玻璃上（即为“牛顿环仪”）时，透镜凸面与平面之间形成一个从中心O向
四周逐渐增厚的空气层。理论上通常描述为：当单色光由上方照射时，从空气层上下两个表
面反射的光束1和光束2在上表面附近相遇产生干涉，形成一组以O点为中心的明暗相间
的同心圆，即牛顿环。
利用牛顿环，可以测量平凸透镜的曲率半径及光的波长，检验表面的平面度、球面度，
测量微小形变以及研究工件内应力的分布，在物理与工程领域均具有广泛的应用价值。
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图：12读数显微镜中观察的牛顿环
13(2分)读数显微镜测量结果如题图所示，请分别填写读数。
(1)
mm
(2)
mm
滑动部件
滑动部件
主尺读数基准的
m打
10203040
50
1020304050
图：1牛顿环干涉条纹的形成原理
10
1.1(2分)牛顿环实验中，主要仪器是读数显微镜，其结构如题图所示，请给出下列部件
图：1.3读数显微镜测量结果示意图
的名称。
1.4（2分)实验中利用读数显微镜进行测量时，经常会带来空程误差，减小对应的测量不
1.
2
确定度的操作方法是：」
15（2分)实验提供以下实验器材：钠光灯、读数显微镜、牛顿环仪、玻璃片，请根据1题
图中牛顿环形成的实验原理，设计观测牛顿环实验的光路示意图。
1.6(2分)利用牛顿环测量平凸透镜曲率半径时，假设入射光波长为入，第m个暗环（半
径rm,直径Dm)处的空气层厚度为δm,平凸透镜的曲率半径为R,一般设定δm据理论可推导出曲率半径R的表达式。基于牛顿环测量平凸透镜曲率半径实验的经验，
实际测量过程中，通常利用下列哪一个公式计算？()
A.R=D-D:
4(m-2)元
B.R=tn
1m元
C.R=D
4m入
1.7(2分)利用牛顿环测量平凸透镜曲率半径实验中，若牛顿环中心是亮斑，下列哪些描
述是可能的原因？()
A.平凸透镜与平板玻璃之间接触处有尘埃
B.平凸透镜存在破损
图：1.1读数显微镜的仪器结构示意图
C.平板玻璃存在台阶
12利用读数显微镜观测牛顿环时，需要使显微镜的十字叉丝交点与牛顿环中心重合。
D.45°玻璃片反射镜调节不佳
(1)(1分)十字叉丝位于哪个部位？()
1.8在牛顿环实验中，钠光灯作为光源，用读数显微镜分别测得竖直十字叉丝与左右两边第
A.物镜内
B.目镜内
C.45玻璃片反射面上
D.牛顿环仪上
5、10、15、20、25、30暗环相切的位置读数，分别表示为d、d5'、d10、d1o'…依次类推，
(2)(1分)若观察到的牛顿环如题图所示，应将牛顿环向()方向移动？
如题表所示。
A.左上
B.左下
C.右上
D.右下
实验考试第1页/共10页
实验考试第2页/共10页

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