物理竞赛电学实验讲座

1 知识在于总结 成功在于拼搏 物理竞赛实验试题解析及其总结 主讲教师 何希庆2008 7 19 电学部分 2 授课内容 第21 24届山东赛区情况综述第24届山东赛区竞赛相关情况总结第25届山东赛区复赛实验试题命题范围近五届物理竞赛电学实验试题解析电学实验系统总结实验考试的技巧和策略第25届全国物理竞赛相关信息实验培训安排情况 3 近五届物理竞赛电学实验试题解析 主要以第20届的复赛和决赛以及第21届 第22届 第23届 第24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 2003第20届决赛 黑盒子问题 航标灯自动控制 2003第20届复赛 非平衡电桥应用 温度自动控制 2004第21届 数字万用电表设计及其应用 2005第22届 发光二极管的特性及其应用 交通灯控制 2006第23届 根据干电池的负载电阻功率随负载变化的规律特性 测量其内阻r 并设计一个使用的电子门铃电路 2007第24届 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 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 15 第一次平衡情况分析 16 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 17 18 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 19 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 20 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 21 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 22 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 23 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 24 黑盒子器件布局图 25 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 26 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 27 电学黑盒子的检测方法和判断流程图 28 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 29 题型很多有神秘感诱导思考全面分析考察能力有成就感 30 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 31 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 32 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 33 测出图中标示的Ra Rb的阻值 以便确定另外的Ra和Rb 34 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 35 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 36 3 组装手动控制航标灯 画出控制原理图得分 5分 37 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 38 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 39 40 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 41 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 42 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 43 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 44 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 45 作热敏电阻的特性曲线 0102030405060708090100t0c 200015001000500 46 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 47 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 48 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 49 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 50 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 51 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 52 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 53 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 54 55 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 56 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 57 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 58 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 59 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 60 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 61 4 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 62 例5 发光二极管的光电特性及其应用 通过研究发光二极管的光电特性 利用红 黄 绿三种发光二极管 设计一个模拟交通灯控制系统 仪器和用具 数字万用电表 电阻箱 实验箱 电位器 发光二极管 接线端子 实验箱 发光二极管 电位器 单刀双掷开关 模拟交通灯自动控制电路 直流电源 接插线28根等 63 要求 1 设计实验方案 测量一支红色发光二极管的正向伏安特性曲线及其正向阈值电压并估算其发光波长注意 通过发光二极管的电流不宜过大 0 20mA 以免烧毁 实验箱 2 判断出全部各色二极管的正负极 实验箱 3 根据交通灯自动模拟控制过程 试设计一个手动模拟交通灯控制系统 画出控制原理图 写出操作步骤 简述控制全过程 64 几点说明 数字式万用表与指针式万用表的不同 超量程显示 1 测电阻时直接读取数据 其单位 K M 与使用的量程有关 其他亦然 交通灯电路用接插线连接即可 发光二极管发光波长近似计算公式 1240 nm eV eV eUD 按下 电源开关 左路程序控制交通灯开始启动 右路是手动模拟交通灯控制电路设计区域 工作电源 输出5V 65 参考答案一 发光二极管的光电特性及其应用发光二极管特性实验方案 测量发光二极管特性连接右图测试电路调节电阻箱的阻值为100 取样 限流 先后调节电位器分压输出为0V 3V 分别测量UR I UD 列表绘制特性线 66 计算红色发光二极管的波长在曲线上求出发光二极管的正向阈值电压UD约为1 79V 利用公式计算发光波长约为693nm 1240 nm eV eV eUD 67 2 二极管极性判断及其电路设计利用数字万用表的二极管一档 分别测量东 西 南 北方向的数个发光二极管 以确定它们的极性 若呈现电阻小 并且发光管亮 则红表笔端为正极 按右图连接电路 以组成手动模拟交通灯控制系统 68 3 手动交通灯模拟控制系统操作演示根据模拟交通灯自动控制系统展示 确定控制顺序 先将K2置于下方 K1置于上方 南北禁止 东西通