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国际物理奥赛介绍,智浪教育-普惠英才文库,三、典型实验题的分析,智浪教育-普惠英才文库,36届国际奥林匹克物理实验考试,智浪教育-普惠英才文库,典型物理实验题分析,2005年36届国际奥林匹克物理竞赛实验题为一题,学生考试5小时.试题与2005年世界物理年纪念爱因斯坦成就100年主题有一定关系,作为国际物理竞赛,题目主题好,但难度一般,优秀学生用3.5小时能完成.,获奖面70的 230学生名成绩分布 满分20分,智浪教育-普惠英才文库,用白炽灯测普朗克常数,实验题：,2005年国际奥赛题,智浪教育-普惠英才文库,普朗克于1900年提出光是以能量量子hv 的形式从物体中放出的假设。在1905年，爱因斯坦发展了这个假说，认为能量量子一旦被放出，就会变成一颗不变的光量子(后来这量子被称作光子)。,常见的光就是由大量的光子聚在波前处形成的。虽然它们如物体中的原子般隐藏在光波中，但普朗克常数 h 揭露了它们的存在。本实验的目的是测量普朗克常数。,背景知识:,智浪教育-普惠英才文库,物体会在发出辐射的同时，吸收外界的辐射。黑体就是能完全吸收所有波长辐射的物体，同时它也是完全的辐射体。对电磁波来说，黑体是完全吸收，没有反射，完全辐射的物体。真实物体不是“全黑”的；一个物体与相同温度的黑体的辐射功率比就是该物体的发射率 ，通常 与波长有关。 普朗克发现在绝对温度为T的物体辐射的波长为 的电磁波的功率密度为,智浪教育-普惠英才文库,考虑 值小时，即在图F-1左方离极大值很远的位置，可以忽略(1)式分母的 -1 项，方程（1）可简化成,这里c1及c2 皆为常数，本题要求从实验确定c2 ，它正比于普朗克常数 h。,(1),智浪教育-普惠英才文库,本实验的基本组件 辐射物体为白炽灯A的钨丝，有很宽的辐射光谱，而且发光度可调。 试管B装有滤光液体，该液体只容许在可见谱中 0 值附近一非常窄的范围的光通过(见图F-3)。,智浪教育-普惠英才文库,光敏电阻（LDR）的电阻 R 与其所受光照 E 有关，而 E 则与钨丝的功率密度成正比 式中无量纲参数 为LDR的特征之一，需由本实验中求得。从上面可得出LDR的电阻 R 与钨丝温度 T 的关系 (3),此式将 应用到。这个公式中c3 是一个未知比例常数。本实验的目的是通过测量不同温度T 对应的电阻R，从而得到c2。,智浪教育-普惠英才文库,实验装置,部件： 1.平台 圆台上装置有光敏电阻、试管与及12V 0.1A 的电灯泡 2.保护罩 3.1 k 10匝电位器(Pm) 4.12V 电池 5.用来连接平台到电位器的红、黑导线 6.用来连接电池与电位器的红、黑导线 7.用作欧姆表的万用表 8.用作电压表的万用表 9.用作电流表的万用表 10.装有滤光液体的试管 11.试管架 12.灰度滤光片 13.直尺,智浪教育-普惠英才文库,问题,问题1：线路图 在答卷纸1上画出盒子里以及盒子之间完整的电路图。 画图时, 参照图F-4所给的说明。 问题2: 灯丝温度的测量 导电灯丝的电阻RB满足以下公式： (4) 式中是导体的电阻率, , l 是长度, S是灯丝的横截面积。,智浪教育-普惠英才文库,由于以下一些原因，电阻与温度有关： 金属电阻率随温度的升高而增加。在300K3655K之间，钨满足以下经验关系（SI单位制） (5) 热膨胀造成灯丝长度和截面的改变。本实验这个效应的影响很小，可以忽略不计。 由（4）（5）式，忽略热膨胀可以得到 (6) 可见，为了得到T首先要确定a。它可以通过测量环境温度T0下的灯丝电阻RB,0而确定。,智浪教育-普惠英才文库,a) 用万用表测量环境温度T0。 b) 直接用万用表来测量 T0下的灯丝电阻RB,0 是不可取的，因为测量时产生的电流会产生提高灯丝温度。这里，为了测量RB,0，将电池与电位器相连接。需要有足够多的电流读数，测量范围在可以调节到的最小电压至1V之间。（100mV以下至少测量15个点。）最后，将电位器置于起始位置，断开电位器与电池之间的导线。 每一对V和I的值，求出相应的电阻值RB 。注明实验能够达到的最小电压。以RB作为纵轴，作图表示RB与I的关系。,智浪教育-普惠英才文库,c) 观察b)得到的图，选择适当的数值范围，线性拟合外推到原点，可以得到R B，0。 将所选择的所有数据填在答卷纸的表中。求RB,0及RB0。 d) 用（6）式求a 和 a的值， RB,0 用 ， T0 用K 作单位。,智浪教育-普惠英才文库,问题3：从图F-6确定中心波长 0 和。,滤光器的光学性质 试管中有由硫酸铜等材料的滤光液体,它的用处是吸收灯泡的红外辐射。 滤光器的透射率(透射光强与入射光强之比)与波长关系如图F-6,注意： 0是透射率最大时对应的波长，2 是指透射率降到极大值1/2时的所对应的波长宽度。,智浪教育-普惠英才文库,问题4,LDR的性质 LDR的材料在黑暗中是不导电的。当光照射时, 产生载流子, 可以有电流通过。LDR的电阻满足以下公式 (7) 这里b是常数,它仅与LDR的成分和几何结构有关。 是一个无量纲的参数，给出了电阻的变化随E关系。理论上，理想的LDR的 = 1，然而，基于许多因素的作用，在实际情况下 1。,智浪教育-普惠英才文库,的测量是必需的。它可以通过图F7所示的装置，测量R和E的关系来完成。还需要在光源和试管之间插入透射率为51.2%灰度板F（减光板），不需考虑透射率的误差。如图F8所示 ， 通过它产生为E=0.512E的光强, 测量这时的LDR的电阻R, 有,F-8,智浪教育-普惠英才文库,得到 (8) 在完成问题4的b)部分之前，不要进行这一步。,智浪教育-普惠英才文库,a) 开始本部分测量之前，将LDR保持在完全黑暗的条件下10分钟以上。连接电源电位器,慢慢转旋钮增加灯泡电压, 电压的取值范围从9.50V到11.50V。读出电压和对应电流的值，以得到对应的LDR电阻值(至少测量12组数据)。在答题纸上将这些数据列表。考虑到LDR的延迟,在到达V 9.5 V时,大约等待10分钟后开始第一个量的测量,以后每5分钟测量一个值。在进行下一步之前先不要作数据处理。 b) 在获得电阻R的最小值后,打开保护罩,如图F-9,放入灰度板,尽快盖上保 护罩,进行LDR电阻R的测量。用这些数据和公式(8)计算 和 。,智浪教育-普惠英才文库,c) 改写公式(3)，以得到 ln R 与 的线性关系。在答题纸上写出方程并标注为方程（9）。 d) 使用a)获得的数据,作一张表格，用于方程(9)的作图。 e) 作图并计算h 和 h，可以用任何方法（允许使用考场提供的计算器的统计功能）。已知c2 = hc/k。 （光速, c = 2.998 108 m s-1 ; 波耳兹曼常数, k = 1.38110-23 J K-1),智浪教育-普惠英才文库,实验关键点: 本实验包含了实验考试的诸多要素, 原本是很好的素材.,基本技能的考察: 仪器安装, 数据测量与记录, 作图, 线性化, 处理数据, 误差分析 实验方法的考察: 温度的定标, 外推法的应用, 光敏电阻 的确定,智浪教育-普惠英才文库,考题解析,智浪教育-普惠英才文库,光量子的概念,Planck (1900): 能量子 h (h= Plancks constant 6.63x10-34 J.s, =frequency) Einstein (1905): 光子 (photons),智浪教育-普惠英才文库,热辐射与波长的关系, : 发射率 (=1黑体),C1, C2 :常数,智浪教育-普惠英才文库,Where c2=hc/k h: Plancks constant c: velocity of light k: Boltzmanns constant,Planck 辐射定律 波长为 的单位时间的辐射能,本实验的主要目的,智浪教育-普惠英才文库,灯丝的光谱是连续的,智浪教育-普惠英才文库,Liquid filter,0,经过滤光液体以后,只留下可见光区内一个很窄的带, 我们假设它近似为单色的,智浪教育-普惠英才文库,该波长落在光敏电阻(LDR)的响应范围内,Liquid filter,0,智浪教育-普惠英才文库,由公式:,对于足够小的 ,光敏电阻的阻值R 与受到的辐射的关系,光敏电阻接受的辐射能 E 正比于 白炽灯的辐射出射度,b: 常数 : 参数,取对数,得,由 (2), (3) 及 (4):,作图,实验设计思路,智浪教育-普惠英才文库,实验装置:,智浪教育-普惠英才文库,部件,智浪教育-普惠英才文库,实验步骤,用方程 (6)求斜率之前, 要确定一系列常数, 进行定标, 等等.,智浪教育-普惠英才文库,RB0 由 I = 0 , V 和I 的关系外推,依据灯丝电阻 (RB)与温度 (T)的关系,a 由室温(T0)下的灯丝电阻(RB0)给出,万用表测量温度,T 灯丝温度的确定,RB,RB0,实验数据拟合,智浪教育-普惠英才文库, 滤光液体的透光波长,Solution of: Orange II. CuSO4 (it absorbs the infrared light).,/nm,智浪教育-普惠英才文库,光敏电阻 LDR的参数,智浪教育-普惠英才文库,数据的测量,智浪教育-普惠英才文库,由斜率,得到,Planck常数,h: Plancks constant. k: Boltzmanns constant. c: speed of light.,智浪教育-普惠英才文库,RB0 由 I = 0 , V 和I 的关系外推,a 由室温(T0)下的灯丝电阻(RB0)给出,万用表测量温度,T 灯丝温度的确定,实验关键点:,光敏电阻 LDR的参数,智浪教育-普惠英才文库,实验解答,问题1,智浪教育-普惠英才文库,问题2 a),b),智浪教育-普惠英才文库,智浪教育-普惠英才文库,c),智浪教育-普惠英才文库,RB 的误差1,RB 的误差2（最小二乘法）, RB0 = 0.06 ,RB0 = 11。39 ,智浪教育-普惠英才文库,d),误差计算方法1,计算方法2,a = 39.4,a = 0.3,智浪教育-普惠英才文库,问题3,2 = 620 565 ; = 28 nm 0 = 590 nm = 28 nm,智浪教育-普惠英才文库,问题4,For working out we know that: R R = 5.07 0.01 k R R = 8.11 0.01 k 透光率 t = 51.2 %,智浪教育-普惠英才文库,方法1,方法2,智浪教育-普惠英才文库,c),智浪教育-普惠英才文库,智浪教育-普惠英才文库,Error for RB:,Error for T:,Error for RB-0.83 :,Error for lnR :,智浪教育-普惠英才文库,e) We plot ln R versus RB-0.83 .,智浪教育-普惠英才文库,智浪教育-普惠英才文库,and,then,Because of,智浪教育-普惠英才文库,智浪教育-普惠英才文库,评分标准,智浪教育-普惠英才文库,TASK 1. 2.00 points,TASK 2. 6.50 points,智浪教育-普惠英才文库,智浪教育-普惠英才文库,智浪教育-普惠英才文库,TASK 3. 1.00 points,智浪教育-普惠英才文库,TASK 4. 10.50 points,智浪教育-普惠英才文库,智浪教育-普惠英才文库,智浪教育-普惠英才文库,智浪教育-普惠英才文库,Misaligned point:,where,* Improper