1、 第 28 届全国中学生物理竞赛决赛 实验试题一试卷及答卷 直流电源特性的研究 一、 题目： 一直流待测电源 xE ，开路电压小于 2V。 （ 1） 利用所给仪器，自组电压表、并测量待测电源 xE 的开路电压； （ 2） 利用所给仪器，测量待测电源 xE 的短路电流。 二、 仪器： 直流待测电源 xE ，六位电阻箱二台，标称值 350 欧姆的滑线变阻器一台，标称值 3V直流电压源 E 一台，准确度等级 0.5 级指针式 100 微安直流电流表 1A 一台，准确度等级 0.5 级指针式多量程直流电流表 2A 一台，准确度等级 1.5 级指针式检流计 G 一台，开关、导线若干。 三、 说明： 1、
2、 待测电源 xE 具有非线性内阻，不适合用 UI 曲线外推法测量； 2、 测量中需要的电压表用 100 微安指针式直流电流表 1A 和电阻箱自组； 3、 标称值 3V 直流电压源 E 由两节 1 号干电池、 15 欧姆保护电阻串联构成； 4、 所画测量电路中的待测电源 xE 、 3V 直流电压源 E、电流表 1A 、电流表 2A 需用“ ”和“ ” 标明其正负极性； 5、 检流计 G两接线端子上并联两个保护二级 管，作为平衡指示器使用时，可以不使用串联保护电阻。如果测试中需要用检流计 G判断电流是否为 0 时，应说明检流计 G指示为 0 的判断方法或者判断过程。 四、 要求： 1、 （ 7 分
3、） 利用所给器材 ，测量 100 微安电流表内阻，并将 100 微安电流表改装成 2.00V量程的电压表。要求画出测量内阻的电路图，简述测量原理，给出测量结果；画出自组电压表的示意图，并标明元件的数值。 2.1（ 5 分）画出测量待测电源 xE 的开路电压的电路图，简述测量待测电源 xE 开路电压的原理和步骤。 2.2（ 6 分）连接电路、测量并记录必要的数据，标明待测电源 xE 开路电压的测量值。 3.1（ 5 分）画出测量待测电源 xE 短路电流的电路图，并简述测量待测电源 xE 短路电流的原理和步聚。 3.2（ 7 分）连接电路、测量并记录必要的数据，写出待测电源 xE 短路电流的测量值
4、。 实验试题一答题纸 ： 1（ 7 分）利用所给器材，测量 100 微安电流表内阻，并将 100 微安电流表改装成 2.00V 量程的电压表。要求画出测量内阻的电路图，简述测量原理，给出测量结果；画出自组电压表的示意图，并标明元件的数值。 2.1（ 5 分）画出测量待测电源 xE 的开路电压的电路图，简述测量待测电源 xE 的开路电压的原理和步聚。 2.2（ 6 分）连接电路、测量并记录必要的数据，写出待测电源 xE 开路电压的测量值。 3.1（ 5 分）画出测量电源 xE 短路电流的电路图，并简述测量电源 xE 短路电流的原理和步聚。 3.2（ 7 分）连接电路、测量并记录必要的数据，写出待
5、测电源 xE 短路电流的测量值。 第 28 届全国中学生物理竞赛决赛 实验试题二试卷及答卷 光电效应的实验研究 一、概述 金属及其化合物在光照射下 发射电子的现象 称 为光电效应。爱因斯坦指出，一束光就是一束以光束运动的粒子流，这些粒子称为光子，频率为 v 的光的每一个光子所具有的能量为 hv ，它不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。 根据能量守恒定律，当金属中的电子从入射光中吸收光子的能量后，就获得能量 hv ，如果 hv 大于该金属的电子逸出功 A ，这个电子就可以从金属中 逸 出，叫做光电子，且 有： 212 mhv A m 该式称为爱因斯坦光电效应方程。逸出功 A 是指一个电子脱
6、 离金属表面时 需做的最小功，212 mm 是光电子从 金属表面逸出时所具有的最大初动能。 h 是普朗克常数。由方程可知，能够使某 种 金属产生光电子的入射光，其最低频率 0v 应由该金属的逸出功决定， 0v 称为截止频率。而照射光的光强是由单位时间到达单位垂直面积的光子数决定的，光强越大，逸出的光 电 子数越多。 利用光电效应原理制成的光电管能将光电信号转化为电信号。光电管的示意图为：， 其中 K为阴极，光照后可发射光电子； A为阳极，加正电压时收集光电子，负电压时阻止光电流。光电管的主要特性有： 1伏安特性：当照射光 的频率和光强一定时，光电流随两极间电压变化的特性称为伏安特性。用不同强度
7、的光照射光电管时，可得到不同的伏安特性曲线 。极间电压为零时，光电流并不为零。当光电管加反向电压至一定值 aU 时，光电流才为零， aU 称为截止电压。 2光电特性 ：当照射 光的频率和两极间电压一定时，饱和光电流 HI 随照射光强度变化的特性称为光电特性。 3光电管的截止电压 aU 与光照频率 v 有关，测出不同频率光照射下光电管的截止电压aU ，画出 aUv的关系图，从而根据光电效应方程，可由图线求出普朗克常数 h 、阴极材料的截止频率 0v 和逸出功 A 。 二、仪器用具 1装在暗盒中的光电管 (附有挡光盖 )一只 ； 2 高压汞灯 及其电源一套（附有挡光盖）； 3 滤光片一组（其透射光
8、的中心波长 分别为 3 6 5 n m 4 0 5 n m 4 3 6 n m 5 4 6 n m 5 7 7 n m， ， ， ，） ； 4光阑一组（直径 = 2 m m 4 m m 8m m ， ， ）； 5 直流稳压电源 1E 一个（ 30V 稳压恒流电源，已调至稳压状态，显示“ CV ”）； 6电位器 R一个 （ 3.3k 3W， ） ； 7 专用微电流计 一个及 专用电缆线（它是 实验仪中 的微电流测 量部分，用于测量光电管所产生的光电流，电缆线实际是两条线，当用电缆线将实验仪背面的“微电流输入”与 光电管 暗盒 背面 的“ K ” 接通时 ， 就串联在电路中，电流量程为8 9 10
9、 11 12 1310 10 10 10 10 A ， ， ， ， ， 10。实验仪还有一个测量普朗克常数 h 时要用到的 -2 +2V电源 2E 及电压调节旋钮 ，仪器面板 见使用说明 ） ； 8 直流电压表 一个 （ 0.5 级， 0 15 30V ） ； 9光具座一个（附有标尺）； 10单刀开关 1k 一个； 11双刀双掷换向开关 2k 一个； 12导线若干。 三、 实验题目及要求 1测定光电管的伏安特性（ 14 分） （ 1） 画出实验电路图， 注明所用仪器符号； （ 2） 简述实验方案（或主要步骤）； （ 3）连接电路，选择 436nm 的滤光片使照射光为波长 436nm 的单色光，
10、用 =8mm 的光阑固定 光强，光源与光电管间 的距离 s 调为 40.0cm ， 改变光电管极间的电压 AKU（ -3V 30V ），合理选择电压表和 电流计量程（在 9 1110 10 A范围内选 ） ，测量若干组电压 AKU 与电流 I 的值； 固定照射光的波长仍为 436nm ，改变光强（用 4mm 和 2mm 光阑）， 再测两次 AKU 、I 值； （ 4） 在直角坐标纸上同一坐标系中作出 AKUI图。 注：测量时 不准用实验仪内的 -2 +30V 电源，必须用所给的直流稳压电源等自组测量电路；实验仪中的电流测量部分作微电流计使用。 2 用“零电流”法测定普朗克常数 h 及从图线上求
11、出截止频率 0v ，并计算阴极材料的逸出功 A 。（ 16 分） “零电流”法是直接将各谱线光照射下测得的电流为零时对应的电压 AKU 的绝对值作为 截止电压 aU 。 （ 1） 推导测量普朗克常数 的实验公式，简述实验原理； （ 2） 光电管 用 实验 仪 的 -2 +2V 电压输出端供电，用专用线连接电路 ，简述实验步骤； （ 3） 固定 = 30.0c m =4m ms ， ， 电流计量程用 1210 A 档， 用不同的滤光片 以改变照射光的频率，在电流 =0I 及其两边各测 两组共五组数据，以确定各自对应的截止电压 aU 值； （ 4） 作 aUv图； （ 5）根据 aUv图求出普朗克
12、常数 h 的值（要有计算过程）； （ 6）根据 aUv图得出截止频率 0v ，并计算光电管阴极材料的逸出功 A 。 注：这部分测量时 要求用实验仪内的 -2 +2V 电源、电压表和电流计。 四、注意事项 （ 1）使用光电管和汞灯光源的挡光盖，不要使光电管暴露在强光下；不要用眼睛直视汞灯发出的光！换光阑和滤光片时，先将汞灯的遮光盖盖上！ （ 2）防止滤光片及光阑污染或打碎！ （ 3）指针式电压表如接错位置或正负极，指针反转会损坏仪表！ （ 4）调节到位后，读取数据宜迅速！ 实验试题二答题纸： 1测定光电管的伏安特性（ 14 分） 1.1 画出电路图（ 3 分 ） 1.2 简述实验步骤（ 3 分）
13、 1.3 数据记录（ 5 分） = ， =S VAKU -3.0 -2.0 -1.0 -0.6 0.0 0.6 1.0 2.0 3.0 4.0 6.0 8.0 11.0 14.0 I 17.0 20.0 23.0 26.0 30.0 1.4 在直角坐标 纸上画出 AKUI图。（ 3 分） 2测定普朗克常数、阴极材料的截止频率及逸出功（ 16 分） 2.1 实验公式推导及原理简述（ 1 分） 2.2 实验步骤（ 2 分） 2.3 数据记录（ 5 分） =S ， = =365nm 1210 AI 0.0 VAKU =405nm 1210 AI 0.0 VAKU =436nm 1210 AI 0.0 VAKU =546nm 1210 AI 0.0 VAKU =577nm 1210 AI 0.0 VAKU 根据以上数据，得： nm 365 405 436 546 577 14=10 HZvc aUV 2.4 在直角坐标纸上作出 aUv图（ 3 分） 2.5 普朗克常数 h 的计算（ 3 分） 2.6 确定光电管阴极材料的 0v 及逸出功 A （ 2 分）
