线性度和迟滞效应需自行标定),观测并记录“量子指针”(例如光斑的横向位移)的放大倍数与后选择角度之间的关系曲线。
对实验数据进行拟合分析,验证弱测量理论中关于放大倍数的理论公式,并对可能存在的系统误差和随机误差进行初步评估。
第二部分:基于弱测量放大的微小扭转角精密探测(60分)
将第一部分搭建的弱测量光路,与提供的扭摆装置(核心扭丝为特制高灵敏度石英纤维,但极易受环境温度和气流扰动影响,扭转常数k值需在极微小角度范围内精密标定)进行耦合。
设计一种方案,将被测质量块(提供多种不同材质和质量的微小球体,需自行选择)之间极其微弱的引力(或你认为可能存在的其他未知微弱相互作用力)所引起的扭摆微小转角,通过弱测量光路进行高倍数放大,并利用ccd图像传感器进行精确记录。
在存在显着环境噪声(实验室未进行特殊隔震和气流屏蔽)和仪器不稳定性(激光器功率漂移、ccd暗电流噪声等)的条件下,尝试提取出淹没在噪声中的微弱扭转信号,并估算出其角位移的量级。
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第三部分:实验方案创新与“第五种力”搜寻的初步构想(开放性加分题,最高20分)
针对本次实验中遇到的主要困难和限制(如环境噪声干扰、仪器精度不足、弱信号提取困难等),提出至少两种具有创新性的改进方案或全新的实验设计思路,并简要论述其可行性与预期效果。
结合当前粒子物理与宇宙学中关于“第五种力”或“新规范玻色子”的某些理论猜想(可自行查阅相关背景资料,或基于自己的理解进行合理推测),尝试构想如何利用类似的量子弱测量精密探测技术,在实验室尺度下搜寻可能存在的,由“第五种力”引起的,偏离牛顿万有引力定律的微弱反常相互作用。阐述你的实验原理、关键技术挑战、以及预期的信号特征。
提供器材(部分关键器材说明):
高灵敏度石英扭丝(直径5-10微米,长度可调,极易断裂,抗干扰能力差)
压电陶瓷微调平台(行程范围微米级,但存在显着的非线性效应和蠕变)
氦氖激光器(单模输出,但功率稳定性随时间漂移,且存在模式跳跃现象)
高精度ccd图像传感器(像素尺寸微米级,但存在较高的读出噪声和暗电流)
真空杜瓦瓶(可提供一定的温度隔离,但真空度维持时间有限)
各种微小质量球体(材质包括钨、金、硅、有机玻璃等,质量毫克级至克级不等,部分球体表面可能存在静电荷,需自行处理)
特别注意:实验室内存在显着的地面微震、空气流动、以及未屏蔽的工频电磁干扰。实验过程中,任何微小的操作失误或环境扰动,都可能导致实验数据的灾难性偏离!
当考生们逐字逐句地,如同阅读“天外魔神用宇宙射线刻在黑洞视界上的末日预言”一般,看完这份堪称“丧心病狂、惨无人道、令人发指、罄竹难书”的物理实验题目和器材清单后——
整个“深渊九号”实验室,彻底陷入了一种……比绝对零度还要冰冷的……宇宙热寂般的死寂!
紧接着,便是此起彼伏,连绵不绝,如同山崩海啸,世界末日降临般的……倒吸凉气声!以及……各种意义不明的,充满了绝望、崩溃、和对出题老师祖宗十八代亲切问候的……灵魂哀嚎!
“嘶——!!!量子弱测量?!第五种力?!我……我特么是在参加高中物理竞赛,还是在参加……参加诺贝尔奖评审委员会的秘密答辩啊?!”
“基于马赫-曾德干涉仪的量子指针弱测量放大效应?!还要用这个去耦合石英扭丝来探测微小引力?!出题老师,您是不是对‘高中生’这个物种的平均动手能力和理论水平,有什么突破天际的误解?!”
“高灵敏度石英扭丝!直径5-10微米!极易断裂!我……我感觉我呼吸稍微重一点,都能把它给吹断了!这还怎么做实验?!”
“压电陶瓷微调平台!存在显着的非线性效应和蠕变!氦氖激光器功率漂移还模式跳跃!高精度ccd高噪声还暗电流!这……这根本就不是在做实验!这是在用一堆‘定时炸弹’玩‘俄罗斯轮盘赌’啊!”
“最要命的是那个‘特别注意’!地面微震!空气流动!工频电磁干扰!这……这简直就是把我们扔进了一