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全国中学生第30届——32届物理决赛实验试题及答案Doc1


第 30 届全国物理竞赛决赛实验试题
实验题目二 “研究小灯泡的发光问题”题解与评分标准
【问题 1】确定灯泡灯丝温度与电阻的关系(18 分) 1.1 设计出确定环境温度下灯泡灯丝电阻 R0 的路线图(3 分) (若申请了提 示卡 1,扣除 6 分)测量原理电路图如图 1 所示。

线路图评分标准: (1).电路原理正确 2 分 (2).元

件符号使用正确 0.5 分,连线无断点 0.5 分。 1.2 简述测量原理及步骤(6 分) 测量原理(4.5 分) : 通过测量在环境温度(室温)下灯泡的灯丝电阻,由公式 T=aR0.83 计算得出 a,即可确定灯泡的灯丝温度与其电阻的关系。小灯泡由于其通电之后的热效应, 其环境温度下的电阻不能直接测量。 (在原理部分,可能出现以下三种答案) 答案 1: 利用小功率下的灯丝电阻与电功率关系外推到零功率的情况下获得, 此部分 测量线路如图 1 所示。图中 R1 为电位器,R2 为标准电阻,L 是小灯泡。记录灯 丝电压及标阻电压, 从而获得灯丝电阻与其电功率的关系, 画出他们的关系曲线, 外推到功率为零即可获得环境温度下的电阻。 为测出环境温度下的灯丝电阻,可不必进行大功率范围的测量,只测量小功 率下的即可。
1

答案 2. 利用低电流下的灯丝电阻与电流关系外推到零电流的情况下获得, 此部分测 量线路如图 1 所示。图中 R1 为电位器,R2 为标准电阻,L 是小灯泡。记录灯丝 电压及标阻电压,从而获得灯丝电阻与其电流的关系,画出他们的关系曲线,外 推到电流为零即可获得环境温度下的电阻。 为测出环境温度下的灯丝电阻,可不必进行大电流范围的测量,只测量小电 流下的即可。 答案 3. 利用低电压下的灯丝电阻与电压关系外推到零电压的情况下获得, 此部分测 量线路如图 1 所示。图中 R1 为标准电阻,L 是小灯泡。记录灯丝电压及标阻电 压,从而获得灯丝电阻与其电压的关系,画出他们的关系曲线,外推到电压为零 即可获得环境温度下的电阻。 为测出环境温度下的灯丝电阻,可不必进行大电压范围的测量,只测量低电 压下的即可。 原理部分评分标准: (1) a,1 分 (2) ①由于小灯泡的热效应直接与其电功率相对应, 因此用功率为零来 明确需要测量室温下的电阻, 利用测量到的室内温度和电阻来确定

获得室温下的电阻较为合理,得 3 分。 ②当功率为零时,电流或者电压也会为零,因此解法 2 和 3 也有道理。但鉴 于灯丝电阻与电流、电压呈现明显的非线性;受测量仪器精度限制,小电流(或 低电压)区域的数值误差大。因此利用电流(或电压)外推方法不可取解法 2 和 3 得 2 分。 (3)此部分只测量小功率范围(电压、电流)0.5 分。 实验步骤: (1.5 分) (1) 连接线路,将电位器 R1 滑到图一中的下端,使与灯泡部分并联的电 阻较小。 (2) 检查无误后,按下开关。 (3) 记录灯泡电压与标值电阻的电压。

2

每个过程 0.5 分。

1.3 自行设计表格,将所获得的数据列入表格,并用作图法给 R0(9 分) (1)直流稳压电源的输出电压=1.0V(可自行设定固定电压的数值,但应能 够满足测量要求) 。 (2)室温 t0=17.9℃ (3)标准电阻阻值=20.0Ω(或 100Ω,此时标阻电压是下面列表的 5 倍) 。

表1

测量环境温度下的电阻 R0
计算所得数据
标阻电压(mV) 灯丝电流(mA) 灯丝电阻(Ω) 灯丝电功率(mW)

测量数据 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
灯丝电压(mV)

21.1 31.8 42.8 54.4 66.3 79.1 92.6 107.3

40.0 60.0 79.9 100.1 120.0 140.4 160.4 180.5

2.00 3.00 4.00 5.01 6.00 7.02 8.02 9.03

10.55 10.60 10.71 10.87 11.05 11.27 11.55 11.89

0.042 0.095 0.171 0.272 0.398 0.555 0.743 0.968

3

解答一:测量电阻与功率的关系

解答二:测量电阻与电流的关系

解答三:测量电阻与电压的关系

4

利用室温下的灯丝电阻:R0=10.45Ω(由灯丝电阻与电功率关系外推得出) 和室内温度为 17.9℃, 由公式 T=aR0.83 求得 290.9=a· 10.450.83, 可计算得 a=41.48, 故而有小灯泡温度与电阻的关系为 T=41.48· R0.83, 当我们测得小灯泡的电阻即可 获得其温度值。 评分标准: 1. 设计的表格及数据记录清晰合理、数据不缺项 1 分(含实验测量数据、 有效数字、电压固定电压、温度等参数) 2. 测量数据区间合适 1 分(测量的灯泡电阻阻值区间应在小阻值区间) 3. 测量数据足量能够给出结论(实验点不少于 8 个) ,1 分 4. 从绘制的数据曲线观察,数据点具有很好的规律,无明显离散满分 1 分, 如离散较大扣 1 分, 说明电源电压选择不合理,在操作中可能出现了反复调整小 灯泡电压的情况。 5. 坐标轴的比例能够可靠表示有效数字位 1 分(分度合理) 6. 图名、坐标轴方向、坐标轴参量名、数据单位、数据点、外推直线,1 分(错 3 个以下扣 0.5 分,3 个以上扣 1 分) 7. 外推求出 R0,记录温度,计算出 a,共 3 分 (1) R0 的范围:在标准答案±0.5Ω 以内,满分 2 分 在标准答案±0.8Ω 以内,得 1 分(即扣 1 分) 在标准答案±1.0Ω 以内,得 0.5 分(即扣 0.5 分) 以上范围以外,不得分,如不是上述方法,而直接给出 R0 则不给分。
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(2) a 值范围;在标准答案± 2 以内,满分 1 分 在标准答案± 3 以内,得 0.5 分(即扣 0.5 分) 以上范围以外,不得分 【问题 2】研究灯泡发光强度与灯丝温度的关系(12 分) 2.1 画出你实验用的线路图、简述其工作原理及实验步骤(5 分) (若申请了 提示卡二,扣 6 分) 线路图如下

图 3 测量灯泡发光强度与灯丝温度关系的线路图 工作原理: (1)由 V3 和 R3 可得出光电流,虽然光电池不能直接收到灯泡发出的所有 光线,但光电流仍可以线性地反映出灯泡发光强度; (2) 而由 V2 和 R2 可通过小灯泡的电流, 利用 V1 的测量值可进而得出此时 的灯泡电阻,由 T=aR0.83 可求出灯泡的温度,最终可获得灯泡的温度与其发光 强度的关系。 步骤: (1) 用文具夹子将样品板与光电池板固定好,保持两者之间位置不变。 记录测量数据如下表
序号 灯丝电压 (V) 1 2 3 1.290 1.740 2.21 标阻电压 (v) 0.600 0.701 0.800 灯丝电阻 (Ω) 43.00 49.64 55.25
6

灯丝温度 (K) 941 1060 1159

光电池电 压(mV) 0.1 0.2 0.6

光 电 流 (mA) 0.001 0.002 0.006

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2.73 3.29 3.88 4.50 5.17 5.87 6.60 7.36 8.19 9.03 9.91 10.74 12.00

0.900 1.001 1.101 1.201 1.301 1.401 1.501 1.601 1.703 1.803 1.903 1.995 2.12

60.67 65.73 70.48 74.94 79.48 83.80 87.94 91.94 96.18 100.17 104.15 107.67 113.21

1252 1338 1418 1492 1567 1637 1704 1768 1836 1899 1961 2016 2102

1.4 2.6 4.5 7.2 11.1 16.4 23.2 31.9 43.2 56.8 73.3 91.0 122.3

0.014 0.026 0.045 0.072 0.111 0.164 0.232 0.319 0.432 0.568 0.733 0.910 1.223

(2) 在未闭合开光之前,记录下 V3,并在计算中扣除本底电流。 (3) 调节电位器增大标阻电压,从灯泡发光开始测量。 (4) 调节电位器,记录灯泡灯丝的电压、标准电阻的电压、光电池的电 压。 线路图评分标准: (2 分) (1) 光电流采用电压测量 1 分。 (2) 其余部分连接正确 1 分 工作原理:1 分 步骤:2 分,每个步骤 0.5 分。 2.2 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。 (6 分) 相关参数: 直流电源电压值=15.0V 标阻阻值=20.0Ω 光电池并联定值电阻=100Ω(注:此两只电阻不能换位) 灯泡的本底电流电压很小,近似为零,可以忽略

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利用表 2 中灯丝温度与光电流的数据汇出图 4。 评分标准: (6 分) (1) 相关参数 1 分(缺项扣 0.5 分,电阻换位扣 0.5 分) 。 (2) 数据记录 1 分 (自灯泡发光至其额定电压测量少于 8 个数据点,扣.5 分;数据项:“灯丝电压、标阻电压、光电池电压”的名称、单位、有效数字有错 误,扣 0.5 分) 。 (3) 数据计算 1.5 分: (灯丝温度 1 分,光电流 0.5 分。注:电阻可以不 计算) 。 (4) 绘图 1 分(图名、坐标轴方向、坐标轴参量名、数据单位、数据点、 曲线光滑、分度合理、比例恰当。注:错 3 项以下扣 0.5 分,3 个以上扣 1 分, 但错误的曲线不会因为图名、坐标轴方向、坐标轴参量名等给分) 。 (5) 结论阐述 1.5 分。 (由图 4 可见灯丝温度越高,由其产生的光电流越 强,说明其发光强度越强。xxxK 以下发光强度几乎为零,xxxK 以后光强迅速增 加,xxxK 后增速加快) 2.3 求出灯泡额定电压下的灯泡温度(1 分) 当我们测得小灯泡的电阻即可获得其温度值。当小灯泡电压 U=12.0V 时, 小灯泡温度 T=2102K(直接根据额定电压计算,而不是通过测量导出额定电压 下电阻,然后再计算出温度的情况,则不给分)

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第 31 届全国物理竞赛决赛实验试题
【实验题目】 (30 分) 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】 1. 组装电源元件盒 1 只(内有交流电源、二极管、电解电容、电阻等供使 用) ; 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】 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 RL 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

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/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 Rx 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。 一.画出设计电路图,组装电路并测量(本部分 9 分) 1.用 12V 交流电源作为输入, 设计将交流转换为直流的桥式整流加 π 型滤波 的电源电路,画出电源与测试电路原理图,用文字说明电路的工作原理,并说明 各元件在电路中起到的作用。 (5 分) 画出电源电路与测试电路的电路图(3 分) 若本项内容不会做,可以申请(求助卡-1) ,要求给出设计电路图,但需扣 除 4 分。

1)

画出输入交流电压 12V、 桥式整流 (得 1 分) , 电压未标 (得 0.5 分) ;

画其他整流(非桥式整流)不得分。 2) 画出 π 滤波电路、电阻 200Ω(得 1 分) ,电阻 2000Ω(0.5 分) ;非 π

滤波电路不得分。

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3)

画出电流表及可变化负载电阻 RL(得 1 分) ;负载部分没画不得分。

说明该电路的工作原理(1 分) 12V 交流电压经过由 4 个二极管组成的桥式整流电路后成为直流脉动电压, 再经过由电解电容和电阻组成的 π 型滤波电路,电压的脉动幅度大大减小,成为 可以供负载使用的直流稳压电源。用可变电阻箱作为负载电阻,电流表串接在带 负载电阻的输出回路中。 说明电路中各元件的作用(1 分) 二极管——有单向导通功能,阻止反向电流的流通; 电解电容——有隔离直流流通和积蓄电能功能,能够充电与放电,充放电时 间与负载有关; 电阻——有阻碍电流流通的功能, 与电解电容组合可以改变电路的充放电时 间。 (答对 1 项得 0.5 分,全对得 1 分) 2.用导线连接组装设计的电路,制成一个直流电源。用所给的电阻箱和数字 式直流毫安表研究该电源的开路输出电压 U0 及毫安表的内阻 ro(电压档无法使 用) 。 (2 分) 写出电源在输出开路时的输出电压 U0 的测量方法和测量结果(1 分) 1) 由于电流表不能直接测量开路电压,因此通过增大负载至尽可能大,通 过测量电流研究电路趋向开路时的电压趋势,计算得到结果。将 RL 调节至 80000Ω 位置,测出输出电流 I,设电流表内阻为 rn,有 U0=I*(r+rn+RL);调节电 阻箱改变 RL 大小至 90000Ω,使输出电流变为 I ' , U 0 ? I '?(r ? rn ? RL ' ) ;得出内阻:
r ?r a ? I '?RL ? I ? RL I ?I' ? ( RL '? RL ) ;实际测量值: ,rn!! 开路输出电压为: U OC ? I ?I I ? I'

RL=80000Ω 时,I=200.6uA,RL=90000Ω 时, I ' =178.5uA 2) 也可以用作图法,画出(I-RL)关系图,通过外推方法求 U0 3) 直接用 90000Ω*178.5uA=16.1V 忽略内阻影响也可算正确 (写出上述方法得 0.5 分) 测量结果:U0= 16.4V 得(0.5 分) , 与提供的参考值比较,U0=(参考值± 0.5)V 内得分,超出范围不得分。 写出万用表直流 mA 档内阻 r 的测量方法和测量结果(1 分)
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用元件盒上 2000Ω,再串接上电流表与电阻箱 RL 的并联电路。先断开电阻 箱(RL=∞) ,只有电流表串接,读出电流 I,在电流表两端并接上电阻箱 RL,调 节 RL 至电流显示 1/2,此时,由于 rn 远小于 2000Ω,可以近似认为 RL=rn(得 0.5 分)

测量结果:I=6.98mA,调节 RL=3.5Ω 时,I=3.51mA:得 rn≈3.5Ω。 rn= (1.5± 0.5)Ω (得 0.5 分) 有两批表,因此可以 rn=(3.5± 0.5)Ω,或 rn=

3、用毫安表研究负载电阻 RL 在 [50Ω-1000Ω]范围内变化时电流的交流、直 流输出电流,列表记录测试数据并计算电源在不同负载时相应的纹波系数 Ku 值 (2 分) 数据记录表的设计与数据测量(2 分) 表中数据由 电压=I*RL 波纹系数 Ku=U 交流/ U 直流 % 获得

1)正确画出数据记录表格[包含电流、电压、Ku 值]

(得 0.5 分)

2) 记录负载电阻[50Ω-1000Ω]内、 间隔 50 或 100Ω 的直流电流 I 测试值 (得 0.5 分) 3) 记录负载电阻[50Ω-1000Ω]内、 间隔 50 或 100Ω 的直流电流 i 测试值 (得 0.5 分)
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4)根据 U= IRL、u=iRL、Ku = u/U,计算出电压和 Ku 因子值

(得 0.5 分)

二、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 件时可以达到 Ku≤1%(本部分 3 分) 。 根据实验数据作图(2.5 分)

1)画出坐标系,标出坐标轴物理量和单位(0.5 分) 2)按数据表值标出数据点,连线获得光滑曲线(2 分) 3)画图数据误差在 10%以外的,错一个扣 0.5 分。 (最多扣 2 分) 在图中曲线上标注 Ku=1%的点,说明该点的物理含义。 (0.5 分) 当负载电阻 RL≥650Ω 时,电源的 Ku 值将小于 1%,直流输出电压有较好的 波动稳定性。 (0.5 分) 三、利用实验数据,确定负载电阻 RL 为何值时电流的输出功率达到最大, 测量此时电流的等效内阻 r 与 Ku 值。 (本部分 3 分) 负载电阻 RL 取何值时电源达到最大输出功率?说明理由。 (1 分) 计算在该负载下电源的等效内阻 r(1 分) ;
R(Ω) 50 150 37.90 4.43 250 30.47 2.76 350 25.52 2.00 450 21.95 1.55 550 19.27 1.19 650 17.19 0.99 750 15.50 0.84 850 14.12 0.64 950 12.96 0.62 1050 12.00 0.50

直流( I mA) 50.0 纹波系数 Ku 值(%) 输出功率 (mW) 125.0 10.14

215.5

232.1

227.9

216.8

204.2

192.1

180.2

169.5

159.6

151.2

1)利用 P=I2 RL 计算并找出 P 最大值,RL 为 250Ω 附近时,电源的输出功率 最大。

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2)按数据表值标出数据点,画出曲线,在图中曲线标注 P 值最大的点。 得出:负载为 250Ω 时,电源输出功率最大(1 分) 由于输出电压无法直接测量,通过选择负载电阻 RL 在 250Ω 附近,测量负 载电流,计算获得电源的等效内阻。 RL(Ω) 150 250 30.47 350 25.52

直流 ( I mA) 37.90 根据 r ? ra ?

' ?'?RL ? I ? RL ;测量 RL=250Ω 附近的两个电流,计算出电源的等 I ? I'

效内阻 r 得 r ? ra ? 257.7? ;r=254.2Ω 计算结果 r=255± 10Ω

(写出过程得 0.5 分)

(得 0.5 分,超出范围不得分)

若根据负载老黄牛写出电源内阻 r=RL=(得 0.5 分) Ku = (1 分)

Ku 可以通过查数据表,或测量电流后计算获得, Ku =(2.8± 0.3)% (范围之内得 1 分,超出范围不得分)

直流电源供以下电阻测量,前项试题内容(不管是否答题)15 分扣除。 四、用组装直流电源、标准电阻箱及待测电阻盒上的三个未知电阻,用直 流电桥法测量这三个电阻的阻值大小。 (本部分 15 分) 写出测量方法与主要过程(2 分)画出测量原理图(3 分) 测量方法与主要过程文字部分(2 分) 自组惠斯通电桥。连接 Rx,R1,R2 及 R0(电阻箱) ,组成电桥电路,在 A、 C 两端接入组装的直流电源,将 B、D 两端接入数字电流表。原理图如图 1:

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将电流表测试模式设为直流 mA 档,观察 B、D 两端的电流大小。从大到小 调节电阻箱 R0 的各档旋钮,观察电流表中的电流值的变化,使其尽量向零靠 近,当示值非常接近零时,可旋转量程选择钮至 uA 档以减小电流表的以减小电 流表的量程,直至示值到 0uV 附近,精确判断电桥平衡的状态。读出电桥平衡 时的 R0 的读数,记为 R03 如图 2,交换 R1、R2 位置,重新连接电路。操作方法同上,调节 R0 使电桥 平衡的状态。读出电桥平衡时 R0 的读数,记为 R02; 如图 3,交换 R1、Rx 位置,重新连接电路。操作方法同中,调节 R0 使电桥 平衡。读出电桥平衡时 R0 的读数,记为 R03;

待测电阻测量值(3 分) 电阻盒编号: R1= 991.4 ;R2= 749.2 ;Rx= 2974.9 。

数据的正确性(3 分) :[根据电阻盒编号比较实测参考数据] a)结果准确性与参考数据比对,误差在± 3Ω 以内 b)结果准确性与参考数据比对,误差在± 5Ω 以内
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(得 3 分) (得 2 分)

c)结果准确性与参考数据比对,误差在± 8Ω 以内 测量电阻箱误差引起的测量如下:
? Rx ? R 0 ? ? ? R 0 ? 0.1% ; Rx 2 R01 2 R02 ? ? R1 ? R 0 ? ? R 0 ? 0.1% ; R1 2 R02 2 R03 ? R 2 ? R0 ? R0 ? ? ? 0.1% ; R2 2R01 2R03

(得 1 分)

? Rx ? 3.0(?)
? R1 ? 1.0(?) ? R 2 ? 0.8(?)

实际还存在平衡调节的判断误差,但影响较小可以忽略。 写出电阻测量的计算公式(3 分) 根据图 1 得:Rx/R01=R1/R2;根据图 2 得:Rx/R02=R2/R1
Rx ? R 01 ? R02 ;

(得 1 分)

R1 / R2 ? Rx / R01 ? R02 / R01

根据图 3 得:R1/R03=R2/R3; R1?R2=Rx?R03
R1 ? Rx R03 / R01 ? R02 ? R03 ; R2 ? R01 ? R03 ;

(得 1 分)

(得 1 分)

列表记录测量数据(2 分)

1)画出表格、标注物理量和单位(得 1 分) 2)测出三个数据(得 1 分)

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第 32 届全国物理竞赛决赛实验试题
实验一 二极管正向伏安特性精确测量(30 分)
qu

二极管是典型的非线性元件, 其伏安特性满足 I ? I 0 (e nkt ?1) , 其中 I0 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 ( q ? 1.602?10?19 C ),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】 直流稳压电源 1 台;数字式万用表 2 只;电位器 2 只;标准电阻箱 1 只;直 流检流计 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;可 编程计算器一台;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 Ug(0) ; 并在此基础上讨论并消除电流大小对二极管 Ug(0)的影 响(建议温度范围 27℃~70℃) : (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

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度 T 的关系曲线、得出 U 与 T 的关系式、推导出在绝对零度时的二极管电压 Ug
(0)

; 分析不同恒定电流条件下, 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。

【仪器说明】 1. 直流稳压电压电源后侧面已有市电接入,打开电源,输出指示灯会点亮。 输出电压已设定为 5V。 2. 数字式万用表,除用于判定二极管正负极外,仅用作直流电流和直流电 压表(内阻未知) 。 3. 电位器是十图连续可调电阻器,其 1、3 接线端为固定端,2 为滑动端。 电阻调节范围分别为 0~2KΩ 和 0~5KΩ。 4. 检流计满偏电流约 0.3μA(而非表上标示的 10μA) ,谨慎使用,以免烧 坏。 5. 恒温水浴锅控温范围:室温至 100℃;控温精度:0.5℃。水浴锅已加好 适量的水,待测二极管置于封闭的石英管中,测量时需尽量靠近测温点。 6. 可编程计算器可用于线性回归计算。 【注意事项】 实验过程中请注意电表读数,以防烧坏电表和器件 求助说明 本实验过程中可有 1 次求助机会。 求助卡 申请提供实验电路图,扣 7 分。

(1) 根据所给实验器材设计实验方案,以消除直流电流表和直流电压表 的未知内阻最测量的影响,并说明设计原理与实验操作步骤(7 分) 说明实验原理并画出实验电路图(5 分) 评分细则: 1. 设计的实验电路图科学合理,能有效消除电流表、电压表内阻的影响, 并能进行有效的测量操作,记满分; 2. 采用伏安法直接测量电路,记零分; 3. 设计的电路出现不规范等错误,酌情扣分。

18

【参考测量电路】利用电桥法精确测量二极管伏安特性曲线

实验步骤(2 分) 评分细则: 1. 根据实验电路图,简要讲述操作过程,讲述清楚,叙述完整,记满分; 2. 如测量电路错误,记零分; 3. 出现讲述不清晰,不完整等情况,酌情扣分。 [参考实验步骤] 1. 设定水浴锅的温度为 27℃; 2. 按原理图连接电路;调节电位器 R1 和 R3 的初值,使分压电路输出电压 为零,设定电阻箱 R2 的值为 10000 欧,检流计调零; 3. 待温度稳定后,接通电源,慢慢调节电位器 R1,使电流表读数增加;反 复调节电位器 R1 和 R3 和电阻箱 R2, 使电桥在设定电压值处于平衡; 依次记录相 对应的电压值和电流值。 (2) 设计表格并记录实验数据,电流范围:0.5~1000μA。 (2 分) 实验测量与数据记录(2 分) 评分细则: 1. 测量数据取值合理,分布均匀,测量结果准确,记满分; 2. 测量数据明显偏离实际情况,记零分; 3. 测量范围不完整,取值不合理,测量点不足等情况,酌情扣分。 [参考数据]
电压/V 0.430 0.441 0.453 0.461 0.473 0.488 0.502 0.510 0.521

19

电流/μA 电压/V 电流/μA 电压/V 电流/μA

0.52 0.538 31.8 0.626 926.0

0.77 0.547 45.0

1.20 0.555 62.8

1.63 0.561 76.6

2.58 0.578 149

4.81 0.587 212.0

8.14 0.594 276.0

10.89 0.606 435.0

16.92 0.617 675.0

(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方向 饱和电流 I0 和理想因子 n。 (6 分) 画出二极管正向 I-V 曲线(1 分) 评分细则: 1. 能根据测量数据正确画出 I-V 曲线,且测量数据准确,能反映二极管非 线性特征,记满分; 2. 如测量数据错误,明显偏高实际情况,记零分。 [参考曲线]

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(5 分) 评分细则: 1. 能正确运用最小二乘法或作图法,处理数据,记 2 分; 2. 计算结果准确(0.9<n<1.1 10-15<I0<10-13) ,记 3 分;

3. 出现计算结果不准确情况,酌情扣分。

20

[参考计算结果]

I0=

3.397× 10-14A

n=

1.001

2.二极管正向结电压与温度的关系(15 分) 。 (1)分别确定恒定电流为 5、10 和 15μA 时,二极管正向端电压与温度的 关系, 以及二极管在绝对零度时的结电压;在此基础上讨论并消除电流大小对二 极管在绝对零度时端电压的影响。 说明实验原理和实验步骤(4 分) 评分细则: 1. 设计的实验电路图科学合理,讲述操作过程清楚完整,记满分; 2. 出现讲述不清晰,不完整等情况,酌情扣分。 [参考实验步骤] 1. 设定水浴锅的温度 27℃; 2. 待温度稳定后,调节电位器 R1 和 R3 和电阻箱 R2,使电桥在电流表读数 为 5μA、10μA 和 15μA 处平衡;分别记录对应的电压值依次记录相对应的电压 值; 3. 改变水浴锅的温度分别为 37℃、47℃、57℃和 67℃。重复第二步测量。 (2)设计表格并记录实验数据, (建议温度范围 27-70℃, 至少 5 个温度点) 。 (3 分)
21

实验测量与数据记录(3 分) 评分细则: 1. 测量的数据准确完整,记满分; 2. 测量数据明显偏离实际情况,如温度增加二极管电压反而增加等错误情 况,记零分; 3. 测量范围不完整, 二极管温度取值不合理, 测量点不足等情况, 酌情扣分。 [参考数据]
温度/K 303.0 313.0 0.461 0.479 0.491 323.0 0.438 0.4555 0.467 333.0 0.413 0.431 0.445 343.0 0.387 0.409 0.420

电压/V(5μA) 0.479 电压/V (10μA) 0.5 电压/V (15μA) 0.515

(3)画出二极管正向端电压与温度的特性曲线,用最小二乘法或作图法得 出端电压与温度的关系表达式。 (8 分) 画出恒流(5μA、10μA 和 15μA)下二极管正向结电压与温度关系 V-T 曲线 (2 分) 评分细则: 1. 能根据测量数据正确画出 Y-T 曲线,且测量数据准确,能反映二极管 V-T 特征,记满分; 2. 如测量数据错误,明显偏离实际情况,记零分。 [参考曲线]

分别得出恒定 电流( 5μA 、 10μA 和 15μA)下二极管 正向端电压与温度 的关系表达式和绝 对零度时二极管的 正向端电压(3 分)

22

评分细则: 1. 得出 V=V(0)-ST 为线性关系记 1 分; 2. V(0)计算结果准确记 1 分; 3. S 计算结果准确记 1 分。 [参考数据] Vg(0) (V) 5(μA) 10(μA) 15(μA) 1.225 1.233 1.244 -S(V/K) 0.00245 0.00241 0.0024

分析在不同恒定电流下, 所获得绝对零度时二极管正向端电压的特点及其产 生的原因,并试图消除(3 分) 评分细则: 1.得出 V(0)随电流增大而增大结论记 1 分; 2.能正确分析是二极管内部存在的电阻或导线电阻造成的原因记 1 分; 3.能外推出 I=>0 时 V(0)的值记 1 分。 [参考数据]

V(T)=1.215-0.0024T

23


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