1、1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
2、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，R 2 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2功率下的即可。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，R 2 为标准电阻，L 是小灯泡。记录灯丝电压及标阻电压，从而获
3、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） 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 a，1 分（2） 由
4、于小灯泡的热效应直接与其电功率相对应，因此用功率为零来获得室温下的电阻较为合理，得 3 分。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（3） 记录灯泡电压与标值电阻的电压。每个过程 0.5 分。1.3 自行设计表格，将
5、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=20.0（或 100，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测量数据 计算所得数据序号 灯丝电压（mV） 标阻电压（mV） 灯丝电流（mA）灯丝电阻（）灯丝电功率（mW ）1 21.1 40.0 2.00 10.55 0.0422 31.8 60.0 3.00 10.60 0.0953 42.8 79.9 4.00 10.71 0.1714 54.4 100.1 5.01 1
6、0.87 0.2725 66.3 120.0 6.00 11.05 0.3986 79.1 140.4 7.02 11.27 0.5557 92.6 160.4 8.02 11.55 0.7438 107.3 180.5 9.03 11.89 0.9689104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5利用室温下的灯丝电阻：R 0=10.45（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=a10.450.83，可计算得a=41.48，故而有小灯泡温度与电阻的关系为 T=41.48R0.83，当我们
7、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
8、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0.5 以内，满分 2 分在标准答案0.8 以内，得 1 分（即扣 1 分）6在标准答案1.0 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。（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
9、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）标阻电压（v）灯丝电阻（）灯丝温度（K）光电池电压（mV）光电流（mA）1 1.290 0.600 43.00 941 0.
10、1 0.00172 1.740 0.701 49.64 1060 0.2 0.0023 2.21 0.800 55.25 1159 0.6 0.0064 2.73 0.900 60.67 1252 1.4 0.0145 3.29 1.001 65.73 1338 2.6 0.0266 3.88 1.101 70.48 1418 4.5 0.0457 4.50 1.201 74.94 1492 7.2 0.0728 5.17 1.301 79.48 1567 11.1 0.1119 5.87 1.401 83.80 1637 16.4 0.16410 6.60 1.501 87.94 1704
11、23.2 0.23211 7.36 1.601 91.94 1768 31.9 0.31912 8.19 1.703 96.18 1836 43.2 0.43213 9.03 1.803 100.17 1899 56.8 0.56814 9.91 1.903 104.15 1961 73.3 0.73315 10.74 1.995 107.67 2016 91.0 0.91016 12.00 2.12 113.21 2102 122.3 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
12、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=15.0V8标阻阻值=20.0光电池并联定值电阻=100（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
13、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
14、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）9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
15、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 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
16、源的输出电压随负载的变化状况。测量当负载电阻 RL 在50-1000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 Ku1。103.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/交流测量功能，其它功能按键不需使用
17、。4.标准电阻箱是六旋电阻箱，电阻调整范围为 0-99999.9，准确度等级为 0.1级。5.“待测电阻”盒，内有 R1、R 2 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 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）
