2016年济南奥林匹克集训队物理奥赛培训演练试题

2016 物理奥赛集训实验演练试题及其解答 山东大学物理学院 何希庆 吴厚政 苏文斌 编著 108 2016物理奥赛集训演练实验试题 第一题 试设计一个测量(量程为100UA )微安表内阻Rg 的。 【仪器用具】 5V 电源、电阻箱、检流计、按钮开关各1个,变阻器2个和被测微安表1只。 【】 1、画出测试电路图; 2、导出计算公式; 3、简述测试步骤。 【使用说明】 1、将该板正确插入《奥赛实验箱》的正确位置,如果《奥赛实验箱》的电源开启,D1亮,则此时板子+5V 与GND 之间就有5V 左右的电压; 2、按下“电源开关”即由“0”至“1”,此时,电池符号E 的“+”、“—”两端有5V 电源; 3、W1、W2分别是阻值为1K 多圈电位器和单圈变阻器,W3外接电阻箱接线端子; 4 、AN 按钮开关,按下“通”、松开“断”; 5、G 是检流计,UA 是内阻为Rg 的0~100UA 的表头。 【题说】第13届山东物理竞赛复赛实验试题(中国石油大学东营) 109 第二题 试设计一个测量(量程为100UA )微安表内阻Rg 的方案。 【仪器用具】 5V 电源、变阻器、检流计、按钮开关各1个,电阻箱2个和被测微安表1只。 【要求】 1、画出测试电路图; 2、导出计算公式; 3、简述测试步骤。 【使用说明】 1、将该板正确插入《奥赛实验箱》的正确位置,如果《奥赛实验箱》的电源开启,D1亮,则此时板子+5V 与GND 之间就有5V 左右的电压; 2、按下“电源开关”即由“0”至“1”,此时,电池符号E 的“+”、“—”两端有5V 电源; 3、W1是阻值为1K 多圈电位器、W2和W3分别是外接电阻箱接线端子; 4、AN 按钮开关,按下“通”、松开“断”; 5、G 是检流计,UA 是内阻为Rg 的0~100UA 的表头。 【题说】第16届山东物理竞赛复赛实验试题(山东大学) 110 第三题 设计一个测量改装电流表内阻Rx 、Rg 的方案 【实验仪器和用具】 1、实验考试专用仪一台(面板示意图见试题反面图一)。 ● 实验考试专用仪的(1D )、(1E )两引脚间有一固定值电阻R (K Ω级); ● 直流输出电源E1是高内阻电源,其输出电压约为5V ,内阻约为400Ω; ● W1、W3分别约为470Ω、1K Ω的可调电阻,W3为多圈精密可调电位器;K2为双刀双掷开 关; ● μA 表是一块经过扩流改装的电 流表,并联电阻为Rx ,原表头 内阻为Rg ,改装电路图如图二 所示,K1是常闭开关(默认状 态是导通,按下是断开)。 2、六旋钮精密电阻箱一只。 uA Rg Rx K1图二 表头内部改装电路图 3、导线若干。 【题说】第31届全国中学生物理竞赛(山东赛区) 【使用说明】 1、将该板正确插入《奥赛实验箱》的正确位置,如果《奥赛实验箱》的电源开启,D1亮,则此时板子+5V与GND之间就有5V左右的电压; 2、按下“电源开关”即由“0”至“1”,此时,电池符号E的“+”、“—”两端有5V电源; 3、W1、W2分别是阻值为1K 多圈电位器和单圈变阻器,W3外接电阻箱接线端子; 4、AN 按钮开关,按下“通”、松开“断”; 5、UA 是内阻为Rg的0~50UA的表头; 6、K1是个自锁开关,按一下“通”,再按一下“断”; 7、K2是双刀双掷开关。 【实验要求】 1、根据给定仪器,设计一个实验方案测量Rx、Rg,实验考试专用仪仅能使用题目给定的部分(R、 E1、W1、W3、K1、k2、uA表头),采用适当的方法和措施,尽量准确的测量。 2、写出实验原理及必要公式,画出实验电路图。 3、写出实验步骤。 4、详细记录实验数据,并求出待测电阻Rx及Rg的大小。 5、假定表头示数为25改装前是准确的,扩流后对应的电流值是多少? 6、要求所应尽量精确的测量待测电阻,写出具体措施,并说明理由。 【注意】 1、题目中所给出的阻值及电源输出电压值是不精确的。 2、连接电路时,务必注意保护uA表头。 3、表头刻度值只有指零是准确值,其他示数未经过校正。 111 112 第四题 非线性器件特性曲线测量设计方案 实验考试专用仪器现提供设备如下: ①5V 电源E 1(考试试验箱右侧); ②6V 电压表V 1一块(位置考试试验箱右上角); ③数字万用表一块; ④多圈电位器W 3=1K Ω(位置考试试验箱右下侧); ⑤由两个器件组成的待测非线性器件组合QE 一只(位置考试试验箱A1+、B1-两端之间); ⑥考试试验箱F1、G1之间连接68Ω限流电阻一只; ⑦连接方式未知开关K 2、K 3(位置考试试验箱左下侧) ;导线若干。 请利用上述设备完成如下任务: 1. 用伏安法测量待测非线性器件QE 的特性曲线。写出实验操作步骤,给出实验连接电 路图。 2. 绘制待测非线性器件QE 的特性曲线图。 3. 判断两个器件的种类和连接方式,如果其中有电阻,计算其大小。 【题说】山东赛区2013试题 113 【使用说明】 1、将该板正确插入《奥赛实验箱》的正确位置,如果《奥赛实验箱》的电源开启,D1亮,则此时板子+5V 与GND 之间就有5V 左右的电压; 2、按下“电源开关”即由“0”至“1”,此时,电池符号E 的“+”、“—”两端有5V 电源; 3、F1、G1之间连接68Ω限流电阻一只 4、待测非线性器件组合QE 一只(位置考试试验箱A1+、B1-两端之间) 5、U 是0~5V 的表头; 6、W 3=1K Ω多圈电位器 7、K1、K2是双刀双掷开关。 要求: 1. 按顺序写出实验操作步骤。 2. 画出实验电路图,并说明实验操作注意事项。 3. 记录并处理实验数据。 4. 绘制特性曲线。 注意:QE 必须要限流。 考试实验箱中待测非线性器件和电阻的位置 R 常闭开关 K1 待测微安表头 高内阻直流 电源 470Ω单圈可调电阻 1K Ω多圈精密可调电阻 第31届全国中学生物理竞赛(山东赛区) 实验考试仪器面板图 图一 114 第五题 设计特定电压表电流电路 【实验仪器和用具】 1、实验考试专用箱一台。包括电源E2,输出电压约.为9V (不准确);K3为单刀双掷开关;±50uA 微安电流表一块;6V 电压表一块;普通电位器W2(总阻值大约3K ,不准确);多圈电位器W3(总阻值大约1K ,不准确,旋钮顺时针旋转到底时,多圈电位器W3右侧两插接点之间电阻为零) 。 2、电阻箱 一台。 3、导线若干 【实验要求】 1、根据给定设备,设计安全电路准确测定电压表内阻。 2、设计安全电路使电流表扩10倍量程。 3、设计安全电路,使电压表中稳定流过 500uA 的电流。 4、画出实验电路图,记录实验数据,写出相应公式,求出必要的数值。 5、写出实验过程中的操作注意事项, 说明保证设备安全所采取的具体方法及措施...................,尽量精确....的测量相应数据。 【注意】实验考试专用箱上其他未提及的器件(如E1等)不能使用。 严禁超量程,严禁损坏实验设备! 【使用说明】 1、E是标称值为9V的叠型电池(在板子下边)按下电源,D1亮,E=9V; 2、按下“电源开关”即由“0”至“1”,此时,电池符号E的“+”、“—”两端有5V电源; 3、W1是外接电阻箱接线端子,W2和W3分别是阻值为1K 单圈电位器和多圈电位器; 4、K是单刀双掷开关; 5、G 是检流计,V是0~5V电压表。 【题说】2015山东复赛试题 115 116 第六题 小灯泡发光问题的研究 【仪器用具】 如板所示:V1、V2、V3,依次为0~15V 、0~5V 、0~1V 的电压表,R1为多圈电位器(10K ), 外接5V 和15V 电源、六个核桃桶中两头装有小灯泡(额定电压12V )和光电池,分别由引线引出,实验时分别接入试题板上面的标注孔里(如图示)。R2=20Ω、R3=100Ω、D1电源指示灯,K 电源开关 【问题1】 确定灯泡灯丝温度与电阻的关系; 1、画出测试电路图; 2、简述测试原理和步骤。 【问题2】研究灯泡发光强度与灯丝温度的关系 1、画出你实验用的线路图、简述其工作原理及实验步骤; 2、用作图法研究灯泡发光强度与灯丝温度的关系,给出你的结论; 3、求出灯泡额定电压下的灯泡温度。 【题说】第30届全国决赛试题 117 第七题 设计一个高效率直流稳压电源(第31届全国决赛试题) 【实验题目】 利用“组装电源元件盒”中的电子元件,设计一个能最大效率地将交流电压转变为直流电压的整流滤波电路,对设计的电路进行连接组装,使其成为一个直流电源。用电流表测量该电源的特征参数——开路电压、最大输出功率及电源内阻,研究该电源输出的交流电压与直流电压的比值随负载电阻变化的关系。然后用该直流电源及标阻电阻箱,采用电桥法精确测定“待测电阻”盒中三个未知电阻的阻值。 【实验器材】如试题板所示: 1. 组装电源元件盒1只(内有二极管、电解电容、电阻等供使用)外接交流电源12V ; 2. 2. 数字式电流表1只(仅电流档可用); 3. 标准电阻箱1只(准确度等级为0.1级); 4. 待测电阻盒1只(内含R1、R2及Rx 三个待测电阻); 5. 连接导线若干。 【实验要求】(参照题板要求) 1.(9分)用提供的实验器材设计一个桥式整流加π型滤波的电源电路,使其能将12V交流电压变为直流电压,画出设计电路图;用导线连接组装该电路为直流电源,测量所给出的数字电流表的内阻,并用该电流表研究组装电源的输出电压随负载的变化状况。测量当负载电阻R L在[50Ω-1000Ω]范围内变化时该电源输出的交流、直流电流,列表记录测试数据并计算不同负载时该电源的纹波系数Ku值。 (注:此处定义纹波系数Ku=交流电压有效值/直流电压值×100%) 2.(3分)利用实验数据画出纹波系数Ku值随负载RL的变化曲线,说明该电源在什么负载条件下可以达到Ku≤1%。 3.数字式万用表是自动量程表,只需选择测量功能与测量范围,不用选择量程,本万用表只有电流档插孔可用,其他功能(插孔)不能使用,该电流表是数字电压表头改装而成,它有一定的输入内阻,万用表上的[sel]按键可以切换直流/交流测量功能,其它功能按键不需使用。 4.标准电阻箱是六旋电阻箱,电阻调整范围为0-99999.9Ω,准确度等级为0.1级。 5.“待测电阻”盒,内有R1、R2及R x三个电阻,电阻阻值未知,要求通过实验方法精确地测出各电阻的阻值。 【题说】第31届全国决赛试题 118 119 第八题 二极管正向伏安特性精确测量 二极管是典型的非线性元件,其伏安特性满足)1(q 0-=nkt u e I I , 其中I 0为反向饱和电流(其值取决于材料、温度、掺杂浓度和截面积等),q 为电子电量(C 1910602.1q -?=),k 为玻尔兹曼常数(k=1.38×10-23J/K ),U 为二极管的外加电压,T 为绝对温度,n 为理想因子。精确测量其伏安特性时,必须设计合理电路,以消除电流表和电压表内阻对测量的影响。已知待测二极管为硅管,正向开启电压约为0.5V ,导通时电压约为0.6-0.8V 。 【实验器材】如题板所示 外接直流稳压电源 1台;D4是被测二极管,数字式万用表2只;电位器R1、R3 2只;标准电阻箱1只(接R2处);直流检流计G 1台;(恒温水浴锅一台;待测二极管(置于封闭的石英管中)一个)由加热电阻代替;(可编程计算器一台);温度计1只,导线若干。 【实验要求】 1.根据所给实验器材设计实验方案,精确测量在t=27℃时二极管的正向伏安特性(电流变化范围:0.5~1000μA,测量不少于20组数据): (1)画出实验电路图,说明实验原理,写出实验步骤; (2)设计表格并记录实验数据; (3)画出二极管正向伏安特性曲线,用最小二乘法或作图法得出反向饱和电流I0和理想因子n。 2.二极管中的电流恒定时,其两端电压会随温度变化而变化。设定二极管的电流分别为5μA、15μA和20μA,确定其电压与温度的关系,推导出在绝对零度时的二极管电压U g(0); 的影响(建议温度范围27℃~70℃): 并在此基础上讨论并消除电流大小对二极管U g (0) (1)说明实验原理,写出实验步骤; (2)设计表格并记录实验数据; (3)分别画出电流为5μA、10μA、和15μA时二极管电压U与热力学温度T的关系曲 ;分析不同恒定电流条件线、得出U与T的关系式、推导出在绝对零度时的二极管电压U g (0) 下,所获得绝对零度时二极管正向结电压的特点及其产生原因,并试图消除。 【题说】第32届全国决赛试题 120 第9题确定元件位置,判断发光二极管的发光颜色 AS08(红色)板上的试题之一 如图示,黑盒中装有二极管、稳压二极管、发光二极管、电阻、电位器(变阻)、电位器(分压)和5V 电源。 【仪器用具】数字万用表、AS08板(拐线右侧部分各测点和1C、1D二个测点以及电位器W1、W2。)【要求】1、确定元件位置; 2、若是发光二极管,则判断其是何种颜色? 【题说】 综合模拟试题 121 122 第10题 直流电源特性的研究 【题目】直流待测电源 x E ,开路电压小于2V 。 利用所给仪器,自组电压表、并测量待测电源x E 的开路电压; 利用所给仪器,测量待测电源x E 的短路电流。 【仪器】AS06试题板 《使用手册》P14 直流待测电源 x E ,六位电阻箱二台,标称值350欧姆的滑线变阻器一台,标称值3V 直流电压源E 一 台,准确度等级0.5级指针式100微安直流电流表 1 A 一台,准确度等级0.5级指针式多量程直流电流表 2 A 一 台,准确度等级1.5级指针式检流计G 一台,开关、导线若干。 【说明】待测电源 x E 具有非线性内阻,不适合用U I -曲线外推法测量; 测量中需要的电压表用100微安指针式直流电流表1 A 和电阻箱自组; 标称值3V 直流电压源E 由两节1号干电池、15欧姆保护电阻串联构成; 所画测量电路中的待测电源x E 、3V 直流电压源E 、电流表 1 A 、电流表 2 A 需用“+”和“-”标明其正负 极性; 检流计G 两接线端子上并联两个保护二级管,作为平衡指示器使用时,可以不使用串联保护电阻。如果测试中需要用检流计G 判断电流是否为0时,应说明检流计G 指示为0的判断方法或者判断过程。 【题说】第28届全国中学生物理竞赛决赛实验试题(西安) 【要求】 (7分)利用所给器材,测量100微安电流表内阻,并将100微安电流表改装成2.00V 量程的电压表。要求画出测量内阻的电路图,简述测量原理,给出测量结果;画出自组电压表的示意图,并标明元件的数值。 2.1(5分)画 出测量待测电源 x E 的开路电压的电路图,简述测量待测电源 x E 开路电压的原理和步骤。 2.2(6分)连接电路、测量并记录必要的数据,标明待测电源x E 开路电压的测量值。 3.1(5分)画出测量待测电源 x E 短路电流的电路图,并简述测量待测电源 x E 短路电流的原理和步聚。 3.2(7分)连接电路、测量并记录必要的数据,写出待测电源 x E 短路电流的测量值。 123 第11题 电阻组合测量 《培训教程》P98 例3 【题说】第20届全国物理决赛试题(2003济南) 第12题试设计一个模拟家用抽油烟机的自动控制电路 【仪器用具】奥赛实验箱:电源、电位器(模拟油烟感应器)、电阻、电风扇、继电器、比较器、三极 管等。 【要求】1、画出抽油烟机的自动控制电路;2、简述抽油烟机工作原理; 3、简述模拟调试步骤。 第13题、利用电压补偿原理,借助奥赛实验箱自组电位差计,完成各种测量。【仪器用具】电位器W1(100Ω) 、W2(1KΩ) 、W3(4.7KΩ) 、W4(10KΩ) 、W5(100KΩ)、检流计、毫安表、电阻箱、开关单刀K1 、双刀双掷K2、工作电源5V、导线等。 【要求】 1、画出电位差计原理图; 2、设计一个标准电源电路,用来校准电位差计; 3、测量标称值为9V的叠型电池的电动势; 4、测量一个标称值为100欧姆电阻; 5、校准毫安表,并确定其等级。 答题须知: 1、该十个题目中有复赛、决赛真题和模拟题,涉及、考点较多,具有一定的代表性、 典型性; 2、每题控制在90分钟,实在做不完,可适当延长时间,但在试卷上记录好起止时间,写上姓名编 号; 3、严格按试题要求、实际操作撰写试卷,要求言简意明,画图、列表、作图绘线规范,真实 再现实验过程; 希望同学们认真对待此次考试演练,通过模拟考试,了解实验考试的程序,试卷的撰写,进一步考察自己对考点内容的掌握程度,灵活运用所学知识的应变能力,找出自己的差距。以全新的姿态、自信的心态,迎接第32届的实验考试。 预祝大家取得优异成绩! 2016.8 124 125 说明:为了配合决赛培训,增加了近三年的决赛试题,共13个题目,供大家选用。 参考解答 【第一题 参考】 方案:利用电桥测量微安表头内阻,将其中一个滑线变阻器一分为二,作为电桥的比例臂(1:1),电阻箱做比较臂,兼顾微安表的量程与电桥灵敏度的问题,将滑线变阻器的分压至微安表满度时的电压作为电桥电源。由于作为比例臂的滑线变阻器的比例不精确,所以需要采取微安表和电阻箱换臂方式进行两次测量,即 ' 0R R R g = 【第二题 参考答案】 测量方案:利用电桥测量微安表头内阻,将其中一个电阻箱一分为二,作为电桥的比例臂(0.9:1),另一个做比较臂,兼顾微安表的量程与电桥灵敏度的问题,将滑线变阻器的分压至微安表满度时的电压作为电桥电源。 9.0R R g = 126 【第三题参考答案】 一、实验方案 根据题目给定的仪器及参数,得知除电阻箱及uA 表零指示外,其他仪器参数均不精确,若要精确测量Rg 和Rx ,需采用平衡电桥法。设计如下方案: 由于直流电源内阻较高,输出电压 5V 左右,而 uA 表头改装前最大测量电流为50uA ,因此必须采用分压电路。首先将uA 表作为电桥一个臂调节平衡(如图一所示),然后用电阻箱替代uA 位置,uA 表头作为检流装置(如图二所示),再次使电桥平衡即可测出改装后的uA 表头总内阻R 总。断开K1,再次重复上述过程,即可测出Rg ,进而求出Rx 及扩流比。 电路图 一 电路图 二 二、实验步骤 1、按照图一连接电路,调节W1使其输出电压为0,接通电源,逐渐调节W1,使uA 表头示数逐渐增加至偏转2/3处,并对准刻度线。 2、跃接K2,调节W3,使uA 表在接通与断开K2时指针示数不变,此时流经K2的电流为0,电桥平衡。满足以下关系式: C R R R R b a ==总 ①式 其中C 为W3两部分电阻比。 3、保持W1、W3不变,按图二连接电路,R0为电阻箱,跃接K2,调节R0使uA 表指针示数接近0后断 127 开K1精确测量,继续微调R0当uA 表示数为零时,再次电桥平衡。此时: C R R R R b a ==0 ②式 ①②联立得:0R R =总 ③式 实验测得Ω=4.136总R 4、断开K1,重复以上1、2、3步,两次达到电桥平衡,即可测出' 0R R g =: '0 ''' R R C R R R R b a g === ④式 实验测得Ω=0.1500g R 5、根据x R R //R g =总得: g g x R R R R R -总总 = ⑤式 Ω=0.150x R 6、若改装前25uA 处示数是准确的,则有 )1(x g g R R I I + =总 ⑥式 代入uA 25I g =,可得uA I 275=总 三、替代法测量Rx Rx 的测量也可以使用替代法测量,如下方案及步骤 1. 按照图三连接电路,断开K2,调节W1、W3值,使uA 表头示数指向某具体刻度。 2. 闭合K2、断开K1,电阻箱R0替代Rx 与uA 表头并联,调节R0使uA 表头示数同前值。此时,R0 示数即为Rx 值。 图三 四、为保证测量精度,采取的措施 3.采用分压电路,保证流经uA表头电流在允许范围内。 4.分压电阻采用单圈小阻值电阻W1,提高输出带负载能力。 5.电桥比例电阻采用W3多圈电位器,便于精细调整电桥平衡状态。 6.实验步骤3中,先粗测平衡再细测。 7.uA表头使用前机械调零或读零点。 8.实验步骤1中,应使指针指在具体刻度线上。 9.多次重复测量,求其平均。 五、评分细则 步骤分值说明备注 测量方案及步骤3 测量Rg、Rx、R总方案及 步骤各1分 4 电路图一 2分若采用替代法图三 2分 电路图二 2分 Rg测量 2 4式 1分 结果 1分1400欧—1600欧 R x测量 1 结果 1分140欧—160欧R总测量 1 1、2式 1分 25处电流值 2 6式 1分 结果 1分265uA—285uA 7条措施7 每条1分,最多给7分没确切写明采取措施的 不得分 隐含措施的不得分 【第四题参考方案】 1.首先通过万用表,确定开关的连接、断开位置及电位器中间接头的零电阻位置。 读电压表表头零点值U =0.XV。以后读数均减去零点值后再作记录。---- 1分 2.按图一所示电路,分正向、反向两部分分别测量。---- 2分 注意:W3输出电压由小到大逐步增高,测量数据减去零点误差后记录。电流大于 10mA或电压满偏(5V)左右时停止测量。---- 1分 128 129 图一A 正向测量 图一C 测量电路2正向 图一B 反向测量 图一D 测量电路2反向 3. 调W3改变QE 的电压和电流,分别由电压表V1和万用表读出测量值,并列表记录。---- 1分 4. 在坐标纸上做特性曲线图。如图二所示。 ---- 4分,其中正、负半轴各2分,数据正确1分,做图正确1分 图二 非线性器件QE 特性曲线参考图(数据仅供参考) 5. 根据测量数据及特性曲线判断如下: ⑴ 根据负半轴曲线在0.7V 左右电流急剧增加,即电压钳位在0.7V 可知有二极管;---- 1分 ⑵ 根据测量数据+1.6V 至-0.6V 之间数据为线性关系,表现为电阻关系,而此区间二极管处于截止状态,其漏电流很小,故判断电路中有电阻。---- 1分 130 ⑶ 如果电阻和二极管串联,则二极管反向(即题目正向)截止,应没有电流,与数据矛盾。QE 正向1.6V 以下表现为线性关系,故判断为电阻与二极管并联。---- 3分 ⑷ 已知器件QE 由两个元件组成,其特征曲线1.6V 以上表现为电流指数性增大,与稳压二极管反向特性相同,故判断二极管应为稳压二极管。---- 2分 6. 用数据处理方法(如逐差法、回归法、截距法等)计算电阻大小。 其中:有明确的公式和数据计算过程 ---- 3分 计算后得出 R=1K ±20欧姆 ---- 1分 【第五题参考解答】 提示卡 : 要准确测定电压表内阻,根据题目提供的设备,首选平衡电桥法,电位器W2可以看做2个串联在一起的电阻,这 2个电阻组成平衡电桥桥臂的一侧, 待测电压表和电阻箱组成平衡电桥的另一侧桥臂。这样电压表内阻可准确获得。 一、 利用平衡电桥测定电压表内阻。 图一 3分 131 图二 2分 R1=5765.5Ω R2=7925.4 Ω 1. 范围6.6~6.8K Ω 2. R V =5.8776K Ω 范围:5.7~5.9K Ω 公式 1分 值 1分 说明: 电压表内阻有二种。本步骤电路图3分,公式1分,值1分。 如图二所示,本设计步骤中, 1.若没有分压部分,不能保证电压表一直在量程范围内,扣一分。 2.若采用替代法,由于电流表量程较小,电阻箱10欧以下基本没有反应,使得内阻精准度较平衡电桥法较低,因此给一半分数。 3.若采用伏安法等其他测定电压表内阻方法,电流范围太小从而造成误差较大,不符合题目要求;不得分。 二、根据题意,微安表需要扩量程10倍,因此必须准确获得微安表的内阻。利用平衡电桥测定电流表内阻,如图三、四所示。 R3=1730.0Ω R4=1303.0Ω 错误!未找到引用源。Ω 范围:1450~1550Ω 公式 1 分 值 1分 132 图三 3分 图四 3分 说明:本步骤电路图3分,公式1分,值1分。 1. 本步骤中,如图三、图四所示电路均正确,得3分。 2. 由于提供的电流表测量范围只有50uA,而提供电源电压9V ,凡没有分压电路保护者,均超过微安表量程,不符合题目要求;均不得分。 3. 采用其他方法,原因同第一步,由于电流表范围的限制,均无法保证测量精度,无法满足扩量程精度要求,不符合题意,均不得分。 三、根据题目要求,用电阻箱根据测定的微安表内阻,扩量程10倍至500uA 。电路图如图五所示。 R X =R I /(N-1)=1501.4/9=166.8Ω 范围:161.1Ω ~ 172.2Ω 公式 1分 值 1分 图五 说明:本步骤电路图没有分,公式1分,值1分。 四、 设计安全电路,使电压表中稳定流过500uA 的电流。如图六所示。 133 图六 3分 说明: 本步骤只需要设计绘出电路图,得3分。 1. W2是否串联进电路无影响,不扣分;K3是否使用不扣分。 2. 凡没有设计分压电路者,不得分。 操作步骤及注意事项 共5分 1. 为保护检流计,实验操作开关采用跃接法(试触法)。 2. 电桥用电位器W2要调节在中间部位以增加测量准确度。 3.为保护电流表,电桥初始供电电压由零开始逐步增加,调整电桥接近平衡时,逐渐增加电桥供电电压。 4. 调整供电电压,直至电桥中电流表或电压表接近满量程电流时,电桥平衡为止。 5. 电流表读零点,用于电压表内阻测量时的平衡位置判定。 6. 电位器W2可以看做2个串联在一起的电阻,微安表作检流计使用。 7.微安表作为桥臂的一部分,平衡电桥中间由开关直接连接,当电桥不平衡时,开关连接、断开时由于分压电位的变化使得流过微安表的电流发生变化,电位差越大,电流变化越大,调节电桥平衡时,开关连接、断开,微安表示数无变化。 8.第四步中,根据题目,W3可有限流、分压两种选择。若采用限流电路,题目所提供器件不满足设计电流要求,故只能采用分压电路,串联电流表、电压表,使电流、电压表中均流过500uA 电流,如图六所示。 估算: 9V/(3K+6.76K+1K+166.8)=9000/10927=0.824mA >500uA ,故只能采用分压电路。 说明: 本步骤共5分。以上各条每写出一条得1分,得满5分为止。不重复得分。 134 实验赛题设备位置 【第9题参考解答】 一、确定元件位置 1、利用数字万用表电压档检测电源:首先黑色表笔固定某一测试起点,然后,红表笔逐点测量,有示数的两点接有电源,同时,根据符号确定电源正负极。 2、利用数字万用表的欧姆档检测电阻、电位器(变阻)、电位器(分压)、二极管、稳压二极管、发光二极管: (1)阻值不变的是固定电阻; (2)阻值可变的是可变电阻,调节W1,两点间的阻值从0~1k Ω之间变化; (3)阻值三点多变的是电位器,调节W2,两点间的阻值从0~1k Ω之间变化,其中一端是中心滑动点,另外两点阻值不变的是电位器的总电阻。 (4)二极管的判断:阻值正反向明显变化的是二极管,然后利用数字万用表的二极管测量档,进行正反向测量: 二、判断发光二极管颜色 1、测量发光二极管特性曲线 (1)测试原理电路图 135 (2)数据列表 V2(V) V1(V) I (MA) (3)绘制曲线 (4)从曲线上求出发光二极管的阈值电压U D (5)实际测试接线图 2、计算波长λ λ=1240/U D (nm) 3、根据波长查找所在波普中的颜色 因为 λ=738nm 所以被测发光二极管是红色。 【点评】本题涉及两个考点内容;黑盒子问题与发光二极管的 光电特性的研究。二者结合内容新颖,考察学生的灵活运用所学知识的能力,诱导学生拓展知识,倡导物理“无所不能”的科学思想,例如“隔墙有耳”、“透盒可见”的趣事等。 【第10题参考解答】 1.(7分)利用100微安电流表和电阻箱改装成 2.00V 量程的电压表,利用所给元件设计该电压表的效验电路。要求画出测量内阻的电路图、测量原理和结果;自组电压表的示意图和元件的数值。 内阻测量采用电流半偏转法,电路如图,1R 和2R 为电阻箱,先把1R 调30k 欧姆,闭合1S ,断开2S ,调节电阻箱1R 使得100微安电流表满偏,然后闭合2S ,调节2R 使得100微安电流表半偏转,此时2R 的阻值为电流表的内阻值RG 。 实测值电流表半偏时,22500 R =欧姆。 严格的说,当2S 闭合后,回路总电阻会降低,当2R RG =时,回路总电阻减小了0.5RG ,应该回路总电阻加上补偿,即在1R 上增加20.5R 。此方法称为:回路总电阻补偿的电流半偏法。 回路总电阻补偿的电流半偏法实测值,22700R =欧姆。 改装后电压表电路图为(电流表内阻以实际为准): 1.620.06V ±,5分 1.620.08V ±,4分 1.620.1V ±,3分 3.(12分)画出测量电源X E 短路电流的电路图,简述测量电源X E 短路电流的原理和步骤。 评分: 电路图评分: (1)电路图合理、正确,3分 使用误差大的方法如: a :利用滑线变阻器比例进行计算; b :利用3V E =标称值计算;1分 + -3V E A 2 + -A S 2 S 1 G - +待 测电源 136 (2)两个电源极性均正确,2分 (3)短路电流测量结果 14.50.5A m ±,7分 14.50.6A m ±,6分 14.50.7A m ±,4分 14.50.8A m ±,2分 少于三位有效数字,扣1分 电源结构: 一、待测电源EX 为非线性内阻电源,结构如下: 二、标称3V 直流电压源E 结构如下: 评分标准: 电表内阻测量可以采用其它方法: (1)电路图及测量原理合理、正确,3分 使用误差大的方法如: a :用毫安表检测100毫安电流变化; b :用30K 测量微安表内阻; c :使用E=3V 标称值计算内阻; d :使用滑线变阻器比例阻值比例或阻值计算;各1分 (2)改装电压表图和参数正确,1分(有其中之一错误,0分) (3)内阻测量结构; 2700100±欧姆,3分 2700200±欧姆,2分 2700300±欧姆,1分 2(11分)画出测量待测电源X E 开路电压的电路图,简述测量待测电源X E 的开路电压的原理和步骤。 调节滑线变阻器W ,当开关1S 闭合、断开时,检流计G 指针不动时(检流计指示为0),电压表的示值即为测电源EX 的开路电压值。 (1)电路图合理、正确,3分 使用误差大的方法如: a :利用滑线变阻器比例进行计算; b :利用3V E =标称值计算;1分 (2)说明补偿原理,1分 (3)标明两个电源极性,1分 (4)开路电压表测量结果 15Ω 3V + -1N4007 100K 100 1N4007 10 1.5V -++- 3V E S 2 W + - V G -+ S 1 待 测电源 137 1.620.04V ,6分 【本板测量】 测试条件:E=3.21V Ex=1.59V 日期:2013.5.20 W1=26900/27900 W2=2000/2200 Rv=17800 (W2代替) Ex=1.57V Ix=17.2mA 【第11题参考答案】电阻组合测量 《中学生奥林匹克物理竞赛实验教程》 P124~P128 【第12题参考答案】参照温度自动控制实验 《中学生奥林匹克物理竞赛实验教程》 P174~P175 【第13题参考答案】 利用电压补偿原理,借助奥赛实验箱自组电位差计,完成各种测量中的参考电路: 电路图说明 图1 电位差计工作原理包括三部分电路: 1、工作回路,提供工作电流和标准电压; 2、校正回路,借助标准电源,调节“粗调” 、“细调”达到电压补偿,从而校正工作回路中的电流I 0为某一特定值。 3、测试回路,调节W 2,达到与E X 补偿,从而得到E X 的确切值。 图2 是一个简易的恒压源电路,调节制流器,使电路保持某一电流值,在已知电阻上获得标准电压。 图3 是一个被测电压超限转换电路,R A 、R B 的比例关系为已知。间接求得E XX . 图 4,是电位差计校正mA 表电路,其中,滑线变阻器用来分压,电阻箱R 1 用来细调电流,精密电阻R 0用来把电流I转换成未知电压U x =IR 0,电位差计测出U x 后,即可求出I的实验值。R 0的阻值及误差限由实验 室给出。 校验电表的目的是为了判定电表是否达到规定的准确度等级,其判据是,若ΔI m /I m ≤a%,则合格;反之则不合格。式中,ΔI m 表示绝对值最大的误差,I m 是被校表的量程,a为电表准确度等级。