1、第 28 届全国中学生物理竞赛实验篇直流电源特性的研究一、 题目：得分 评卷 复核一直流待测电源 ，开路电压小于 。XE2V（1 ）利用所给仪器，自组电压表、并测量待测电源 的开路电压；XE（2 ）利用所给仪器，测量待测电源 的短电流。XE二、仪器：直流待测电源 ，六位电阻箱二台，标称值 欧姆的滑线变阻器一台，标称值XE350直流电源电压源 一台，准确度等级 级指针式 微安直流电流表 一台，准确度3V.11A等级 级指针式多量程直流电流表 一台，准确度等级 级指针式检流计 一台，开0.52A.5G关、导线若干。三、说明：1.待测电源 具有非线性内阻，不适用 曲线外推法测量；XEU-I2.测量中
2、需要的电压表用 微安指针式直流电流表 和电阻箱自组；101A3.标称值 直流电压源 由两节 号干电池、15 欧姆保护电阻串联构成；3V4.所画测量电路中的待测电源 、 直流电压源 、电流表 、电流表 需用“+”和XE3VE12A“”标明其正负极性；5.检流计 两接线端子上并联两个保护二极管，作为平衡指示器使用时，可以不适用串联G保护电阻。如果测试中需要用检流计 判断电流是否为 时，应说明检流计 指示为 的G0G0判断方法或者判断过程。四、要求：1（ 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 量2.V程的电压表、要求画出测量内粗的电路图，简述测量原理，给
3、出测量结果；2.1（ 5 分）画出测量待测电源 的开路电源的电路图，简述测量待测电源 开路电压的XE XE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 开路电压的测量值。X3.1（ 5 分）画出测量待测电源 短路的电路图，并简述测量待测电源 短路电流的原理X和步骤。3.2（ 7 分）连接电路、测量并记录必要的数据，写出待测电源 短路电流的测量值。XE光电效应的实验研究得分 评卷 复核一、概述金属及其化合物在光照射下发射电子的现象称为光电效应。爱因斯坦指出，一束光就是一束以光速运动的粒子流，这些粒子就称为光子，频率为 的光的每一个光子所具有的v能量为 ，它不能在分割，
4、而只能整个地被吸收或产生出来。根据能量守恒定律，当金属hv中的电子从入射光中的能量后，就获得能量 ，如果 大于该金属的电子逸出功 ，这hv A个电子就可以从金属中逸出，叫做光电子，且有： 21mA该式成为爱因斯坦光电效应方程。逸出功 是指一个电子脱离金属表面时所需做的最小功，是光电子从金属表面逸出时所具有的最大初动能。 是普克朗常数。由方程可知，21m h能够使某种金属产生光电子的入射光，其最低频率 应由该金属的逸出功决定， 称为截0v0v止频率。而照射光的光强是由单位时间到达单位垂直面积的光子数决定的，光强越大，逸出的光电子数越多。利用光电效应原理制成的光电管将能光信号转化为电信号。光电管的
5、示意图为： Ak，其中 为阴极，光照后可发射光电子； 为阳极，加正电压时手机光电子。KA负电压时阻止光电流。光电管的主要特性有：1. 伏安特性：当照射光的频率和光强一定时，光电流随两极间电压变化的特性称为伏安特性。用不同强度的光照射光电管时，克的不同的伏安特性曲线。极间电压为零时，光电流并不为零。当光电管加反向电压一定值 时，光电流才为零， 称为截止电压。aU|aU2.光电特性：当照射光的频率和两极间电压一定时，饱和光电流 随找射光强度变化HI的特性称为光电特性。3.光电管的截止电压 与光照频率 有关，测出不同频率光照射下光电管的截止电压aUv，画出 的关系图，从而根据光电效应方程，可由图线求
6、出普克朗常数 、阴极aU|av h材料的截止频率 和逸出功 。0A二、仪器用具1.装在暗盒中的光电管Ak（附有挡光盖）一只；2.高压汞灯 及其电源一套（附有挡光盖） ；3.滤光片一组（其透射光的中心波长 分别为 365 、405 、436 、546 、577nmnm） ；nm4.光阑一组（直径 2 ，4 ，8 ） ；m5.直流稳压电源 一个（30 稳压恒流电源，已调至稳压状态，显示“ ”） ；1EVCV6.电位器 一个（ ， ） ；R3.kW7.专用微电流计G一个及专用电缆线（它是试验仪中的微电流测量部分，用于测量光电管所产生的光电流，电缆线实际是两条线，当用电缆线将实验仪背面的“微电流输入”
7、与光电管暗盒背面的“ ”接通时，G就串联在电路中，电流量程为 、K 810、 、 、 、 。实验仪还有一个测量普克朗常数 时要用到的91010112130Ah电源 及电压调节旋钮，仪器面板见使用说明） ；2V2E8.直流电压表V一个（0.5 级， ） ；50V9.光具座一个（附有标尺） ；10.单刀开关 一个；1k11.双刀双掷换向开关 一个212.导线若干三、实验题目及要求1.测定光电管的伏安特性（14 分）（1 ）画出实验电路图，注明所用仪器符号；（2 ）简述实验方案（或主要步骤） ；（3 ）连接电路，选择 的滤光片使照射光波长 的单色光，用 的光阑固436nm436nm8nm定光强，光源
8、与光电管间的距离 调为 ，改变光电管极间的电压 （ ） ，s40.cAKU3V0合理选择电压表和电流计量程（在 范围内选） ，测量若干组电压 与电流91A的值；I（4 ）在直角坐标纸上同一坐标系中作出 图。KUI注：测量时不准用实验仪内的 电源，必须用所给的直流稳压电源等自组测量电230V路；实验仪中的电流测量部分作微分电流计使用。2.用“零电流”法则定普克朗常数 及从图线上求出截止频率 ，并计算阴极材料的逸出h0v功 。 （16 分）A“零电流”法是直接将各谱线光照射下测得的电流为电流为零时对应的电压 的绝AkU对值作为截止电压 。aU（1 ）推导测量普克朗常数的实验公式，简述实验原理；（2
9、 ）光电管用实验仪的 电压输出端供电，用专用线连接电路，简述实验步骤；2V（3 ）固定 ， ，电流计量程用 档，用不同的滤光片以改变照射光的30.scm4120频率，在电流 及其两边各测两组共五组数据，以确定各自对应的截止电压 值；I a（4 ）作 图 |av（5 ）根据 图得出普克朗常数 的值（要有计算过程） ； |Uh（6 ）根据 图得出截止频率 ，并计算光电阴极材料的逸出功 。a 0v A注：这部分测量时要求用实验仪内的 电源、电压表和电流计。2V四、注意事项（1 ）使用光电管和汞灯光源的挡光盖，不要使光电管暴露在强光下；不要用眼睛直视汞灯发出的光！换光阑和滤光片时，先将汞灯的遮光盖盖上
10、！（2 ）防止滤光片及光阑污染或打碎！（3 ）指针式电压表如接错位置或正负极，指针反转会损坏仪表！（4 ）调节到位后，读取数据宜迅速！实验一参考答案及评分标准本题共 30 分1.（7 分）利用 微安电流表和电阻箱改装成 量程的电压表，利用所给元件设计该102.0V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。A1AR1 +-S2 R2-E+S1内阻测量采用电流半偏转法，电路如图， 和 为电阻箱，先把 调 欧姆，闭合1R2130k，断开 ，调节电阻箱 使得 微安电流表满偏，然后闭合 ，调节 使得 微安1S21R02S2电流表半偏转，此时 的阻值为电流
11、表的内阻值 。2 G实测值电流表半偏时， 欧姆。5严格的说，当 闭合后，回路总电阻会降低，当 时，回路总电阻减小了2S2，应该回路总电阻加上补偿，即在 上增加 。此方法称为：回路总电阻补偿0.5RG1R0.5的电流半偏法。回路总电阻补偿的电流半偏法实测值， 欧姆。27改装后电压表电路图为（电流表内阻以实际为准）： 173010A270-+A-2V+V，5 分1.620.，4 分8V， 分33.（12 分）画出测量电源 短路电流的电路图，简述测量电源 短路电流的原理和步骤。XEXE+-3VEA2+-S2 S1G-+图图评分：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
12、滑线变阻器比例进行计算；b：利用 标称值计算；1 分3VE（2 ）两个电源极性均正确，2 分（3 ）短路电流测量结果，7 分14.50Am，6 分，4 分，2 分.8少于三位有效数字，扣 1 分电源结构：一、待测电源 为非线性内阻电源，结构如下：EX1N40710K101N40710 1.5V-+二、标称 直流电压源 结构如下：3VE153V+-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 毫安电流变化；b：用 测量微安表内阻；c：使用 标称值计1030KE=3V算内阻；d：使用滑线变阻器比例阻值比例或阻值计算；各 1
13、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；欧姆，3 分70欧姆，2 分欧姆，1 分2（ 11 分）画出测量待测电源 开路电压的电路图，简述测量待测电源 的开路电压的XEXE原理和步骤。 +-3VES2W+-VG-+S1图图调节滑线变阻器 ，当开关 闭合、断开时，检流计 指针不动时（检流计指示为W1SG0） ，电压表的示值即为测电源 的开路电压值。EX（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 标称值计算；1 分3V（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
14、果，6 分.0.V实验试题二参考答案及评分标准本题共 30 分1.测定光电管的伏安特性（14 分）1.1 实验电路图（3 分）图V-+K1E1 R K2 AK1.2 实验步骤（3 分）将加挡光盖的汞灯及光电管安装在光具座上，使二者的输出、输入口正对，调，用专用电缆线将光电管与实验仪的“微电流输入”连接，接通汞灯及实验仪40.scm预热；按电路图接线。电压表选 档，在光电管入光孔上加 光阑及 滤光30V8m436n片，选量程最大档，微电流计调零后开试测，确定用 （或 ）档测量；10A1用 使光电管加反向电压，改变电位器 ，测量 为 对应的光电流 ，然2KRKU3VI后用 加正向电压，测 对应的光
15、电流；将光阑换为 ， ，重复，测量 、 值。4nm2AI1.3 数据记录（5 分），436n0.Sc/VAKU-3.0 -2.0 -1.0 -0.6 0 0.6 1.0 2.0 3.0 4.0 6.0 8.08m-0.1 -0.1 0.6 3.8 7.4 13.1 18.0 27.5 33.0 36.6 43.0 51.3/40.0 0.0 0.0 0.8 1.7 3.1 4.3 7.0 8.5 9.3 10.7 12.710/I20.0 0.0 0.0 0.2 0.5 1.0 1.4 2.2 2.9 3.1 3.6 4.3/VAKU11.0 14.0 17.0 20.0 23.0 26.0
16、30.08m63.0 73.9 83.5 93.3 101.8 109.8 118.4415.8 18.9 21.8 24.5 26.9 29.0 31.410/I/25.4 6.3 7.5 8.4 9.3 10.0 10.51.4 图（3 分）AKI2.测定扑克常数、截止频率及逸出功（16 分）光电效应方程为： （1）21mhvA当光电管两极电压达到截止电压时，有： （2）21maeU截止频率的定义为： （3）0v实验原理：由式（4）可知，测出不同频率光照射光电管的截止电压 与照射光频率 的av关系直线，则由直线的斜率 可以求出普克朗常数 ，直线与横轴的截距为截止频率KheK，由式（3）可以
17、求出逸出功 。0vA2.2 实验步骤（2 分）（1 ）用专用连接线将点光管电压输入端与实验仪电源输出端连接，使用（ ） 档；0V（2 ）选定光阑 ， 。将光电管与实验仪内的微电流计G用专用电缆线=4m30.sc连接。然后断开连接 的导线，旋转“电流调零”妞，使电流指示为零。A（或将调零/测量开关切换为“调零” ，旋转“电流调零”钮，使用电流指示为零。 ）（3 ）分别将 ， ， ， ， 的滤光片装在光电管进光口65n46nm57nm上，从低到高调节电压，测量并记录光电流为零及两边的 5 组数据，确定使光电流为零的截止电压 。aU（4 ）电流计用 （或 ）档。120132.3 数据记录（5 分），
18、3.Scm46An1/0I-1.2 -1.0 0.0 5.0 10.0VKU-1.995 -1.978 -1.905 -1.760 -1.7054513/I-1.2 -1.0 0.0 5.0 10.0AK-1.682 -1.643 -1.548 -1.354 -1.2886nm13/0I-1.2 -1.0 0.0 5.0 10.0VAKU-1.366 -1.335 -1.299 -1.213 -1.1685413/I-1.2 -1.0 0.0 5.0 10.0AK-0.754 -0.750 -0.730 0.684 -0.6397nm13/0I-1.2 -1.0 0.0 5.0 10.0VAK
19、U-0.661 -0.651 -0.590 0.478 -0.421根据以上数据，得 /n365 405 436 546 577vc140Hz8.22 7.41 6.88 5.49 5.20|/a1.905 1.548 1.299 0.730 0.5902.4 图（3 分）|aUv2.5 计算普克朗常数 （3 分）h斜率： ，1514141.790.52.70.230V/Hz(8)K5.6.6.he JsA2.6 读取光电管极阴材料的 及计算逸出功 （2 分）0v从 图线的横轴截距得|aUv，1403.7Hz19025Ahe评分细则：1.1 电路图中不用 换向，其他均正确，给 2.5 分；电压
20、表位置错或没有，扣 1 分；检流计2k位置错或没有，扣 1 分；分压错，扣 1 分；无分压，0 分。1.2 步骤中涵盖两项内容，给 2 分；1 项，给 1 分；满 3 项，2.5 分。1.3（ 1）根据每台仪器的实际电流值来判断数据的准确性，变化趋势正确， ， ，3V0。2V和 的数据偏离在 之内，5 分；其余按照偏离程度，酌情给分；超出 ，03%5%分；量程错，扣 1 分。（2 ）有效数字记录有错，扣 1 分；1.4 图中AKUI（1 ）图名、 ， 、 出现一项， 分；S0.5（2 ）坐标轴标度、物理量及单位各 0.5 分；（3 ）曲线光滑连续各 0.5 分；少 1 项，扣 1 分；自变量、
21、因变量错，扣 0.5 分。2.1 写出 ， ， ， ，四个公式，1 分；写出其中 2 或2mae0Ahv0()aUvheK3 个给 0.5 分。2.2（ 1）G调零，1 分（2 ）步骤全对，1 分；涵盖两项以上内容，0.5 分（3 ） 数值偏离实际值 之内，有效数字正确，4 分；大于 ，0 分。aU30%3%根据每台仪器的 数据来判断数据的准确性， 之内，5 分；其余按照偏离程度，酌情a 10给分，超出 ，0 分。2.4 图中|av（1 ）直线、光滑，1 分；（2 ）特征点，1 分；（3 ）坐标轴标度，1 分。2.5（ 1） 竖直在 ，有过程（计算式） ，1 分；K15(2.96.0)（2 ） 数值在 ，1 分；有效数字错，扣 0.5 分；无单位，扣 0.5 分；h347JsA2.6（ 1） 在 ，单位正确，1 分；0v(3.4.)Hz（2 ） 在 或 ，1 分， （ 必须有算式，且单位正确） 。A92510(.69)VeA
