物理奥林匹克夏令营-何希庆教授讲座(电学实验试题解析)PPT课件.ppt

1 中学生奥林匹克物理夏令营实验系列讲座 主讲教师何希庆山东大学物理与微电子学院2007 7济南 物理竞赛电学实验试题解析 2 名片 何希庆教授全国中学生物理竞赛委员通讯地址 济南市洪家楼5号山东大学物理与微电子学院邮编 250100电话 88377035 8401Email hxq 网址 3 授课内容 第一讲关于物理竞赛中的问题第二讲电学中的实验方法第三讲竞赛实验试题解析电阻组合测量黑盒子问题 航标灯自动控制非平衡电桥及其应用 温度自动控制数字万用电表设计及其应用发光二极管的光电特性及其应用 交通灯控制电路设计 4 第一讲关于物理竞赛中的问题 竞赛宗旨命题事宜竞赛改革实施方案命题趋势解题技巧竞赛日程 5 竞赛宗旨 弘扬奥林匹克精神 选拔具有国际竞争力的创新人才 推动中学物理教学 促进物理学科的发展 6 命题事宜 命题原则 围绕竞赛大纲 以教材内容为依据 注重考查学生的基本知识 实验技能和创新意识 充分体现奥林匹克精神 试题内容 具有深度 广度 自由度 体现重点 难点 知识点 创新点 试题格式 题目 仪器与用具 要求 参考资料等 7 竞赛改革 固定教材 全国中学生物理竞赛实验指导书 北大出版社固定内容指导书中的34个实验是全国中学生物理竞赛个赛区复赛实验考试范围 8 公布时间本省确定的复赛实验考试内容范围必须向本省准备参加物理竞赛的全体考生公布 公布的时间不得晚于复赛考试前六个月 3月3日前 考试范围各省的复赛实验试题必须从本省公布的实验中选定 根据指导书涉及内容 结合我省的实际情况 拟定24个实验题目作为24届复赛实验题目命题范围 第五届夏令营实验培训内容 9 命题小组选拔业务水平较高 教学经验丰富 作风正派的高校教师 组建命题小组保密措施1 对于命题教师身份严格保密2 学生实验考号由导考人员随机确定3 复赛当天上午由命题教师培训监考老师和评卷教师 熟悉实验仪器 拟定试验方案 记录实验数据 制定评分细则等 4 从而达到监考 阅卷 学生三分离 5 命题教师参与评卷工作 协助评卷教师解决考试中出现的特殊问题 10 关于教程 指导书 只是规定了考试大纲和内容 但不是考题 这难免出现会做实验 但不一定会做考题的情况 因此 新编 中学生奥林匹克物理夏令营实验培训教程 配备相关试题 拓展物理知识 增强做实验的兴趣 11 几点启示 实验考试是比较薄弱的环节 乃是困扰着我省决赛成绩不尽人意的因素之一 例如 21届青岛二中的李寅同学决赛理论成绩排在全国第八位 实验成绩将他拉到二等奖的第一名 与一等奖最后一名仅差0 5分 给他留下了遗憾 给我们提出了警示 12 2 必须加强中学实验教学 实验技能的培养 强化选手的实验培训 增强自信心 尽管与这两届的决赛题目相近的内容 我们在决赛辅导中均涉及到了相关内容 例如 利用电桥原理设计乘法器 电阻率的组合测量 几乎与题目一致 但就是缺乏基本功的训练和实验技能的培养 实验素质困乏 缺乏自信 不能举一反三 另外两个光学题也涉及到相关内容 13 3 强化决赛培训初见成效06年山东省济赛委员会采取果断措施 对五名选手进行系统 为期20余天的培训 成绩明显提高 14 我省代表队由5名选手组成 经过决赛前的20余天的理论 实验强化培训 信心倍增 成效显著 取得一等奖1名 二等奖4名 其中李鑫同学总成绩排名第十八位 郝阳同学实验成绩排名第二位 为山东赛区赢得了荣誉 为今年的第24届代表队组成 6名 赢得了一个附加名额 为山东赛区一等奖名额分配增加了三个指标 山东赛区一等奖名额50名 47 23届2006年 24届2007年 一等奖 山东代表队 5 6 15 来自第23届山东代表队队员清华大学本科生寿光一中学生 董磊同学的祝福 16 董磊 您好 前几天去你们学校在特刊上和宣传栏里看到你和李鑫以及孙永强的熟悉面孔 感到很亲切 欣慰 自豪 你们不仅给学校赢得了荣誉 也给山东省赢得了荣誉 也为我这位全国竞赛委员争了口气 因为前两届成绩不理想 正因如此 才下决心进行较长时间的培训 我们的实验成绩普遍提升 也 很有成效 我想实验培训不仅对决赛考试有益 而且对你们今后的实验技能的提高打下了良好基础 谢谢你对竞赛的关注和对老师的崇敬 衷心希望 在今后的学习中 刻苦努力 奋力拼搏 不断取得优异成绩 祝你学业有成 何老师 17 存在问题在决赛辅导中发现学生做实验 不规范 背步骤 蒙数据 不注意审题 急于求成 不注意观察物理现象 不太会分析实验结果 不容易得出正确结论 18 第23届竞赛情况 初赛人数近9万人 复赛人数2300人一等奖47名二等奖180名三等奖772名 深圳决赛情况参赛选手5名决赛成绩1个一等奖4个二等奖录取情况北京大学4名清华大学1名 19 第24届物理竞赛日程 第24届山东赛区代表队 预赛时间9月2日地点各市复赛时间9月22日地点济南决赛时间11月3日 8日地点宁波第24届山东赛区代表队6名选手第24届山东赛区一等奖50名 20 实施方案 1 合理整合优化配置全委会要求的竞赛仪器 2 结合 指导书 编写夏令营培训教程 3 建立物理竞赛培训基地 提升山东赛区决赛成绩 4 协助试点学校 建设复合型多功能创新实验室 21 命题趋势 考察实验技能联系当今科技突出物理思想解决问题能力知识整合应用 22 解题技巧 审题要仔细原理要清晰方法要得当步骤要合理 现象要记录数据要真实操作要规范书写要整齐 23 第二讲电学中的实验方法 一 常测电学量电流电压电动势电阻电容电感电场磁场电功电功率电阻率等 二 常用用具电流表 电压表 欧姆表 万用表电池 标准电池 电源 变压器电阻箱 变阻器 电容器 电感开关 二极管 三极管等三 常规仪器电桥电势差计信号发生器示波器等 24 四 电学中的实验方法 欧姆表法伏安法替代法电桥法补偿法 半偏法示波法图解法感应法模拟法 25 伏安法及其应用 例1 用伏安法测量电阻 实验器材 稳压电源 电压表 内阻RV 电流表 内阻RA 待测电阻RX 单刀开关 实验分析 基本原理 欧姆定律RX RX的两端电压U 通过RX的电流I应用范围 主要用于测量电阻 尤其适用于测量非线性电阻 如二极管 的伏安特性 方法特点 系统误差研究 非线性电阻测量 但操作较繁方法问题 产生系统误差消除办法 1 采用电流表外接法或电流表内接法 2 计算法 修正 26 1 电流表外接法 如图所示 在该电路中电流表给出的电流IA应等于电阻RX上通过的电流I和电压表上通过的电流IV之和 则测量绝对误差主要来源于电压表的分流电流IV 取 I IV 则 IRV IRx相对误差E1为 27 2 电流表内接 如图所示 在该电路中电压表给出的电压U是电阻RX上的电压UX与电流表上的电压UA之和 则测量绝对误差主要来源于电流表上的压降UA 取 U UA 则相对误差 E2 U Ux Ra Rx 28 3 电流表内 外接法的判别式 若E1 E2 则当待测电阻的影响就可忽略不计电流表内接法 大 的影响就可以忽略不计电流表外接法 小 说明 通过电流表内外接法的选择 可以减小相对误差 29 4 修正公式若根据采用的不同接法 分别将测量结果用相应的修正公式进行修正 则不论采用哪种接法均可得到正确结果 可以去除表头内阻引起的误差 电流表内接电流表外接 30 注意事项 1 正确使用开关 2 电表的使用 3 电流表内外接法判别式的正确使用 4 根据仪表实际分度情况确定有效数字位数 不能随意估读 影响测量精度 5 修正公式的正确使用 31 半偏法及其应用 例2 用半偏法测量电表A1的内阻Rg 实验器材 待测量表A1 标准电表A2 电阻箱两个 开关两个 电池 导线若干 实验概述 半偏法测量原理是利用电表的满偏电流与半偏电流之间的关系 求出电表的内阻Rg 测量线路主要有以下三种形式 32 1 第一种形式 如图所示 这是标准形式 恒流半偏法 即整个测量过程保持回路电流I不变 以消除R2并联后对回路电流的影响 1 按图接线 K2断开 K1合上 调节R1 使A1指示满刻度 记录此时A2示数I 2 合上K2 合理调节R1 R2 使A1指针在满刻度一半的位置 A2示数仍为I 3 由于回路电流I恒定 而A1支路电流半偏转为I 2 则R2支路电流也为I 2 故Rg R2 33 2 第二种形式 1 调节电阻箱为R1值 为电表指示满高度I1 2 再调节电阻箱为R2值 使电表指针在满刻度一半的位置 此时电表示数I2 I1 2根据闭合电路欧姆定律 则E I1r I1 Rg R1 E I2r I2 Rg R2 I2 式中E为电源电动势 r为电源内阻 解上述方程组可得Rg R2 2R1 r如果电源的内阻r可以忽略 则Rg R2 2R1 34 3 第三种形式 1 按图接线 K2断开 K1合上 调节R1 使电表指示满刻度I 则 式中E为电源电功势 r为电源内阻 2 合上K2 调节R2使电表指针在满刻度一半的位置 则电路总电流为 解上述方程组可得如果电源的内阻可以忽略 则 35 注意事项 1 估算限流电阻的大小 不能使电表过载 防止损坏电表 2 后两种方法的局限性 36 替代法及其应用 例3 用替代法测二极管的正向电阻 工作电流8mA 实验器材 毫安表 电源 单刀双掷开关 滑线变阻器R0 电阻箱 待测二极管 导线若干 37 实验概述 替代法简单明了 在许多场合下能得到较好的效果 1 开关K倒向1 调节R0 使回路电流为8mA 2 使开关倒向2 调节R 使回电路恒定不变 则二极管在8mA工作电流下的正向电阻为电阻箱的示值 注意事项 替代元件显示的现象应与待测元件所显示的现象一致 38 比较法及其应用 例4 利用比较法测量电阻 实验器材 标准电阻R0 待测电阻RX 滑线变阻器R 双刀双掷开关 电压表 单刀开关 电源 导线若干 实验概述 比较法类似于替代法 替代法显示的现象完全一致 而比较法显示的现象不完全一致 存在某种差异 但这种差异与一种内在的函数关系相联系 一般为线性关系 我们寻求到这种函数关系 则待测量也就迎刃而解了 39 1 按图接线 2 分别测量标准电阻R0 待测电阻RX上的电压U0 UX 则 注意事项 寻求可以进行比较的函数关系 40 直流电桥法及其应用 例5 用直流单电桥 惠斯登电桥 测电阻 实验器材 四转盘电阻箱两只 R1 R2 六转盘电阻箱一只 R0 检流计 G 单刀开关 电源 导线若干 待测电阻 RX 实验概述 1 按图所示接线 R1 R2称为比例臂 R0为可调标准电阻 称为比较臂 检流计作为平衡批示器 41 2 按实验要求 预置比例臂 即R1 R2的比值 调节R0的大小 当检流计指零时 B D两点电位相等 则平衡时 Ig 0 UBC UDC 则利用分比定理 化简后得到 42 电桥法测量实质采用的是比较法 它通过零指示器来判断电桥是否平衡 用可调的标准电阻R0与待测电阻RX进行比较 在众多场合下往往用其非平衡态的条件 此时要特别注意非平衡的状态 注意事项 1 选择合适的比例臂 提高测量的精度 2 精确度较高的电阻箱作为可调标准电阻R0 3 检流计的使用 43 补偿法及其应用 例6 用补偿法测量电池的电动势 实验器材 直流稳压电源E 可变电阻器RP 检流计 11m电阻丝RAB 单刀开关K1 单刀双开关K2 标准电池EX 待测电阻EX 实验概述 按图所示接线 若接通K1 有电流I通过电阻丝RAB 并在电阻丝上产生电势的降路 如若再将ES接入电路 可能会出现三种情况 44 a 当ES UAS时 检流计中有电流通过 指针偏向一侧 b 当ES UAS时 检流计中有电流通过 指针偏向另一侧 c 调节RP 使ES UAS 检流计中无电流 指针不偏转 这种调节方法称为工作电流标准化调节 这种测量电动势方法称为补偿法 回路AESSA称为补偿回路 回路EABE称为工作电路回路 在补偿状态时 ES I0RAS 式中I0为补偿状态下的工作回路电流 45 现又将待测电池接入补偿回路 RP恒定 保持I0不变 变化RAS到RAX 使检流计指零 则EX I0RAX 比较两次测量的结果可得 式中lAX为AX段电阻丝长度 lAS为AS段电阻丝长度 补偿法的实质是依据补偿原理通过电阻的比较 实现待测电池与标准电池的电动势的比较 46 注意事项 1 调节补偿状态的必要条件是E ES和E EX的极性不有接错 并且满足E ES E EX诸条件 2 电流标准化调节完毕 RP E就不能再变化 保持IO恒定 3 在某些情况下 IO作电流标准化的调节要留有余地 保证仪器11m电阻丝的压降大于待测电池电动势 4 标准电池一般为1 01866V 不允许用电压表去测量它的电动势 更不允许将它作为电源使用 47 图解法及其应用 例7 用作图法测量未知电容仪器用具 信号源 真空管毫伏表 电阻箱 标准电容箱 未知电感Lx 待测电容Cx 计算器 坐标纸 及绘图工具等要求 画出电路图 说明测量原理 测量数据 并在坐标纸上作图求出Cx题说 本题系第9届全国中学生物理竞赛复赛 实验考试 山东省试题 根据谐振原理 利用谐振频率与电容间的关系作图求解 48 解答 电路图所示 图中C0为标准电容箱 Cx为待测电容 谐振时 令 则 49 第三讲竞赛实验试题解析 第三讲主要以第20届的复赛和决赛以及第21届 第22届的复赛实验试题为内容 刨析试题的命题方向 物理内涵 考查重点以及审题思路 解题方法 做题步骤等 旨在给同学以启发 作引玉之砖 电阻组合测量黑盒子问题 航标灯自动控制非平衡电桥应用 温度自动控制数字万用电表设计及其应用 50 例1 电阻组合测量 有5个电阻元件已分别装入5个小盒中 并接在接线柱上 不得打开小盒 它们的编号分别为R1 R5 其中3个电阻值较小 它们的电阻值基本相等 电阻值相差不大于1 另两个电阻值也基本相等 其电阻值相差不大于1 但它们的电阻值比前三个至少大40 请设计一种测试次数不超过3次 就一定能找出这两个阻值较大的电阻的实验方案 然后准确测量其中一个的电阻值 51 仪器和用具 直流电源两组E1和E2 E1 E2 其内阻可忽略 AC5型直流指针式检流计一只 其使用方法见附录 检流计限流电阻一只 Rb 六钮电阻箱一只 R 导线若干单刀双掷开关一只 52 分析 根据题目要求 给定的仪器和用具情况 采用电桥法和补偿法等二种测量方法 根据电桥的平衡条件和状态找出2个大电阻 利用补偿原理精确测出电阻值 53 一 电桥法1 按图所示接线 R1 R2称为比例臂 R0为可调标准电阻 称为比较臂 Rx为被测电阻 检流计G作为平衡指示器 2 当检流计指零 Ig 0 时 B D两点电位相等 即I1R1 I2R2IxRX I0R0电桥平衡条件 RX R1 R2 R0或RXR2 R1R0 54 二 补偿法 补偿法 就是用已知的电压或电动势去抵消 或补偿 待测的电压或电动势的方法 电位差计 补偿原理 1 工作回路 RRMKE1 提供工作电流 标准电压 2 补偿回路E2GRb按钮开关 3 补偿调节按下开关 反复调节R使G指零 55 附录AC5型直流指针式检流计使用说明 1 使用时要水平放置 2 将小旋钮拨向白色圆点位置 用零点调节器将指针调至零位 3 按下 电计 按钮 检流计即被接入电路 开始调节时应在接入限流电阻的情况下 用跃按法 短暂接通 反复按下 电计 按钮 调节至检流计基本指零 然后拆除限流电阻 再细调至检流计指零 4 如需将检流计长期接入电路时 可将 电计 按钮按下并转一角度锁住即可 5 若使用时指针摆动不停 按一下 短路 按钮指针便立即停止 56 6 电流如果从 接线柱流入检流计 指针偏向表盘的 方向电流 如果从 接线柱流入检流计 指针偏向表盘的 方向 7 检流计使用完毕后必须将小旋钮拨至红色圆点位置 同时把 电计 短路 旋钮放松 8 检流计不得用作电流表读数 注意安全使用检流计 题说 第20届全国中学生物理奥林匹克竞赛决赛实验试题 57 要求 1 在试卷上写出你所设计的实验方案 该方案用不超过3次测试就一定能找出两个阻值较大的电阻 画出测量电路图 标上符号 写出实验步骤及判断方法 2 用实验找出这两个电阻值较大的电阻 写出它们的编号 3 在上面找出的两个阻值较大的电阻中任取一个 准确测定其电阻值 令为RM 不得使用其余4个待测电阻 在试卷上画出测量电路图 写出实验步骤 导出计算公式 记录测量数据并求出结果 结果要能用4位有效数字表示 58 点评 20届全国中学生物理竞赛决赛题 济南 体现了目前的命题方向 突出了基本实验原理的综合运用 考察学生的综合应用知识解决问题能力 59 试题分析 方案 1 采用电桥平衡原理找出2大电阻2 利用补偿原理测量其中1电阻值试题分析 若电桥基本平衡 桥路上的4个电阻一定为2大2小 桥外余下的是小电阻 若电桥不平衡 桥路上的4个电阻可能为3小1大 余下1个大电阻 也可能为2大2小 余下1个小电阻 60 若电桥基本平衡 则 Rm Rn Rn Rm 桥路上的4个电阻一定为2大2小桥外余下的是小电阻 桥上电阻分布如图中的4种情况 61 第一次平衡情况分析 62 若电桥不平衡 桥路上的4个电阻可能为3小1大 也可能为2大2小 其分布如图中的6种情况桥外余下的电阻在图中 c 和 f 情况为小电阻 在其他情况为大电阻 63 64 结果 2个大电阻的编号为R2 R5测量RM方法一电压补偿法1 测量电路如图2 实验步骤及计算公式第一次测量 将D接A F接B 调节电阻箱并反复按下按钮开关 当检流计接近为0时 去掉限流电阻 继续调节电阻箱为R值时 检流计指0 则有 1 65 第二次测量 将D接B F接C 调节电阻箱并反复按下按钮开关 当检流计接近为0时 去掉限流电阻 继续调节电阻箱为R 值时 检流计指0 则有 2 式 联立 解得 66 方法二电流补偿法1 测量电路如图2 实验步骤及计算公式 第一次测量 如图调电阻箱为R值时检流计指零 则有 1 第二次测量 将电阻箱与RM交换位置 再调电阻箱为R 值时检流计指零 则有 2 二式联立解之得 67 例2 黑盒子问题 航标灯设计 从示范航标灯的原理图中不难看出 由电阻 电容 发光二极管 晶体三极管 直流电源 电源开关 自锁开关 绿色 等组成 另外一组等值的电阻 电容 发光二极管 晶体三极管 直流电源分别安装在黑盒中的各接线端子上 有部分器件 如Ra Rb BG1 BG2 已在电路板上标出 请注意Ra的标示有误 以试题中的示图为准 黑盒中尚接有一个按钮开关 红色 68 试运用合适的仪器设备和正确的测量方法对上述器件进行判断 并选出合适的器件分别组合成自动控制的航标灯和手动控制的航标灯 仪器和用具 数字万用表及其使用说明书 黑盒子 示范航标灯原理电路 接插导线等 69 要求 1 按下示范航标灯原理图下的电源开关 观察原理图上方发光二极管的发光情况 2 判断出各器件在盒子内的位置 并简述测试步骤 3 判断出发光二极管的极性 判断方法与晶体二极管相似 4 利用盒内的器件 参照示范航标灯原理电路图 自组一个自动控制的航标灯 5 另外自组一个简易的手动控制航标灯 即每按一次按钮 灯亮一次 只控制一个灯 红 绿皆可 所用元件仍从盒内选用 70 黑盒子器件布局图 71 说明 1 黑盒子中的每个器件接在两个接线端子上 器件之间不混联 即一个端子上只接一个器件引脚 2 电容极性约定 接线端子序号小的一端为 序号大的一端为 题说 第20届全国中学生物理奥林匹克竞赛复赛 山东赛区 实验试题 72 电学黑盒子问题解法 电学黑盒 把电子元件放入有若干接线柱的封闭盒子中 按某种方式连接 并接到接线柱上 常用仪器 万用电表 示波器 信号发生器 电阻箱 开关和导线等 电子元件 电阻 电容 电感 直流电源 交流电源 变压器 二极管 发光二极管等判断流程 通过在外部接线柱上的测试 进行分析 综合 判定盒内的电子元件 元件数值和电路连接 具有一定探索性 根据电子元件的特性和检测仪器的使用条件 电学黑盒子的检测方法和判断流程 73 电学黑盒子的检测方法和判断流程图 74 点评 第20届全国中学生物理奥林匹克竞赛复赛 山东赛区 实验试题考查学生对电子元件特性的理解 分析判断能力 从黑盒子中找到航标灯所需有关元件 考察学生对新知识的接受能力和实验技能 通过手动和自动不同方案 让学生体会知识的重要性 进一步激发学生的求知欲望 75 题型很多有神秘感诱导思考全面分析考察能力有成就感 76 参考答案 1 器件判断利用排除法 根据器件特性进行识别判断 首先 找出电源 用万用表直流电压20V档 逐点测量 有10V显示的端子上即有电源 在图中标出或记下端子编号 例如 接有电源 且 为电源正极 这两个端子在余后的检测中无须检测 然后 用万用表欧姆表 建议10k档 测出图中标示的Ra Rb的阻值 以便确定另外的Ra和Rb Ra和Rb的参考值分别为200和6 7K 77 用万用表欧姆表检测电阻 电容 发光二极管和按钮开关等器件 有确切阻值的是电阻 有充 放电现象的是电容 正反阻值相差悬殊的是发光二极管 且电阻小时 红表笔一端为发光二极管正极 进一步用万用表二极管档检测 若极性相符 则发光二极管亮 按下按钮开关 电阻为零的端子接有按钮开关 78 找出电源 接有电源 且 为电源正极 这两个端子在余后的检测中无须检测 79 测出图中标示的Ra Rb的阻值 以便确定另外的Ra和Rb 80 黑盒中的器件布局图 检测电阻 电容 发光二极管和按钮开关等器件 81 2 组装自动控制航标灯 注意 本题要求旨在自动控制 因此按钮开关不接 接了不扣分 得分 16线 8分灯亮得4分 连线图正确的4分 82 3 组装手动控制航标灯 画出控制原理图得分 5分 83 例3 温度自动控制电路的研究 如图所示是一个温度自动控制电路 其中 虚线左侧是非平衡电桥电路 通常称为电子温度计电路 以实现非电学量 温度 与电学量 电流 之间的转换 图中WA WB分别用于电子温度计定标 即调节mA表指零和满度 虚线右侧是比较控制电路 用于VX与VR二个电压信号进行比较 若VX VR时 则电风扇运转 当VX VR时 则电风扇停转 从而实现温度自动控制 T R V I 84 仪器和用具 数字万用电表 电阻箱 实验板 数字温度计 热敏电阻 加热器 毫安表 电位器 开关 比较控制电路 电风扇 等 要求 1 测量热敏电阻的特性曲线 10分 将热敏电阻和数字温度计探头插入加热器中 已插好 按下加热器开关加热 从30 100 每隔5 测量各温度下热敏电阻的电阻值 只测表中缺项即可 根据表中测量数据作热敏电阻的特性曲线 85 86 2 电子温度计定标 10分 根据原始电路参数和测量参数 接通mA表开关 将电子温度计定标于30 0mA 和100 10mA 简述定标过程 3 设计温度自动控制方案 10分 试设计温度分别设定为38 和58 时的控制方案 简述操作步骤和自动控制的过程 87 几点说明 热敏电阻 它是阻值随温度变化而发生显著变化的敏感元件 在工作温度范围内 阻值随温度升高而增加的热敏电阻称为正温度系数的热敏电阻 反之称为负温度系数的热敏电阻 通过热敏电阻可以把温度及温度的变化转换成电学量加以测量 也可以配以适当的电路实现温度自动检测和控制 热敏电阻被广泛应用于工业 农业 医疗 交通 军事科学研究等各个领域 88 筒型加热器 用于加热调节温度变化 由开关控制 数字式温度计 用于测温 其探头与热敏电阻已经插入加热器中 热敏电阻的列表阻值可能与实际测量值有一定差异 这与数字温度计探头与热敏电阻所放的位置有关 89 点评 第20届全国中学生物理奥林匹克竞赛复赛 山东赛区 实验试题 进一步了解非平衡电桥的基本原理及其在日常生活中应用 考察学生对新知识的接受能力和实验技能 涉及传感器的相关知识 90 参考解答 1 测量热敏电阻的特性曲线接通加热器电源 分别测出各温度下的热敏电阻阻值 根据测量数据绘制热敏电阻的温度特性曲线 91 作热敏电阻的特性曲线 0102030405060708090100t0c 200015001000500 92 2 电子温度计定标 10分 定标的实质是确定测温范围 即下限温度和上限温度 并在电流计上标明相应的温度 该步骤可用电阻箱代替热敏电阻来完成 1 确定下限温度取30 为下限温度 调电阻箱为热敏电阻30 时的电阻值 接通ma表 调节WA使电流表指0 即确定了下限温度 2 确定上限温度取100 为上限温度 调电阻箱为热敏电阻100 时的电阻值 接通ma表 调节WB 使电流表指满量程 即确定了上限温度 93 3 设计温度自动控制方案 15分 方案1 用电阻箱代替热敏电阻 确定相应的VR从热敏电阻温度曲线上分别查出38 和58 时的电阻值 调节电阻箱为查出值 分别测量ma表两端的电压 调节VR为测得电压值 然后接入热敏电阻 当温度超过设定温度时 电风扇运转 低于设定温度时 电风扇停转 如此过程周而复始 从而达到温度控制之目的 94 方案2 从热敏电阻温度曲线上分别查出38 和58 时的电阻值 调节电阻箱为查出值 细心调节VR使电风扇旋转为止 然后接入热敏电阻 当温度超过设定温度时 电风扇运转 低于设定温度时 电风扇停转 如此过程周而复始 从而达到温度控制之目的 95 方案3 直接接入热敏电阻加热 同时分别测量38 和58 时ma表两端的电压 调节VR为测得电压值 然后接入热敏电阻 当温度超过设定温度时 电风扇运转 低于设定温度时电风扇停转 如此过程周而复始 从而达到温度控制之目的 96 例4 数字万用电表设计及其应用 试设计一个符合要求的数字万用表 并用该表测量未知电压和电流 选作 以及排除简易航标灯的电路故障 并调试之 仪器和用具 数字微安表 0 199 9 A 内阻1K 左右 电阻箱 电位器 电阻 蜂鸣器 工作电源E1 5V 内阻可略 使用电源E2 5V 内阻可略 待测电压VR5 VX 待测电流IR6 I1 航标灯电路 单刀双掷开关 LED指示灯 电源E2 接插导线等 97 要求 1 将数字微安表改装成量程为1 999V的电压表 测量VR5 2 将数字微安表改装成有19 99mA量程的电流表 测量IR6 3 将蜂鸣器和电源E1制作一个用于检查电路故障 通 断 的信号寻迹器 利用该信号寻迹器检查航标灯电路故障 故障设在连线上 其它正常 并排除其故障 4 画出实验原理图 简述实验步骤 注意 估算限流电阻的大小 不能使电表过载 防止损坏电表 一旦过载 显示1 98 说明 数字微安表 0 199 9 A 内阻1K 左右 并已接工作电源E1 按下电源开关 显示 000 不显示小数点 改装后的表 小数点也不显示 蜂鸣器是一个声响器件 只要加上合适的工作电源即可发出声音 常用于电子门铃 报警提示等场合 LED指示灯即发光二极管 通一额定电流即可正常发光 广泛应用于袖珍手电筒 钥匙灯 指示灯 电子广告牌 大屏幕 等领域 99 除电阻箱和接插线外 所有器件均装配在仪器面板上 并标出它们的位置 如下图所示 其中工作电源E1 使用电源E2 它们的内阻忽略不计 主要参数如下 R1 8 1K R2 0 5 R3 91K R4 5 6 R5 100 R6 100 R7 47K W0 400 已固定不可调 W1 10K W2 27 100 101 分析 本题属电表改装问题 可以利用Rs Rg N 1和Rm M 1 Rg计算出扩程电阻即可 未给出数字电流表内阻和合适的电阻值 前者用半偏法后者用替代法 电流 电压 确定其值 利用自制的电子寻迹器 检查 简易航标灯电路 故障 并予以排除 102 步骤 利用半偏法测出数字表内阻Rg 方法一电路图首先调节电阻箱R使电表指示199 8 A 记作R1 然后调节电阻箱R使电表指示99 9 A 记作R2 最后根据公式Rg R2 2R1计算Rg 103 方法二电路图接通电路 读出电流值I调节电阻箱使电流为I 2电阻箱示数即为Rg 973 左右 104 电表扩程 计算Rm M 1 Rg和Rs Rg N 1 本题M 10 N 100 Rm 8 757k 左右Rs 9 8 左右 电压表扩程及其测量利用替代法确定Rm电阻值 R1 W1 测量VR5 1 010v 105 电流表扩程及其测量 选作题利用分压法确定Rs电阻值 R4 W2 首先将电阻箱调至Rs 并测量Rs两端电压VRs然后利用R4 W2替换电阻箱 调W2使R4 W2两端电压也为VRs 即确定Rs最后利用电流表测出IR6 9 5ma 106 3 电子寻迹器组装 根据原理图连线排除 简易航标灯电路 故障 利用寻迹器检查电路 利用连线排除故障 调试 简易航标灯电路 反复跃按按钮开关 红绿灯交替闪亮 107 4 排除 简易航标灯电路 故障 利用寻迹器检查