第1届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题的介绍与解答.pdf
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1、第 卷第期 年月 物理实验 ,櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 收稿日期:;修改日期:基金项目:高等学校教学研究项目()作者简介:任雨奇(),男,湖南湘潭人,清华大学交叉信息研究院 级本科生,毕业于长沙市雅礼中学 :通信作者:王槿(),女,湖北十堰人,南开大学物理科学学院高级实验师,博士,研究方向为基础物理实验、仪器仪表及生物医学光子学 :文章编号:()第届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题的介绍与解答任雨奇,王槿,宋峰(清华大学 交叉信息研究院,北京 ;长沙市雅礼中学,湖南 长沙 ;南开大学 物理科学学院;基础物理国家级实验教学示范中
2、心(南开大学),天津 )摘要:第届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题为发光二极管试题利用万用表、热敏电阻和自组的简易压力计等作为测量工具,设计实验并测量发光二极管的伏安特性、串联寄生电阻、发光效率和光功率极大值本文详细介绍了实验试题的命题及其解答,并简单分析了命题背景和参赛选手的答题情况命题基于发光二极管在不同温度下的光电特征,可作为基础物理实验中发光二极管相关实验的拓展关键词:欧洲物理奥林匹克竞赛;发光二极管;伏安特性中图分类号:文献标识码:欧洲物理奥林匹克竞赛(,)是目前国际上认可度较高的国际性物理学科竞赛之一第届 于 年月在爱沙尼亚的塔尔图举办,来自 个国家和地区的 名选手参赛该届比赛采用线下
3、实验操作形式,实验试题为发光二极管(,)试题利用万用表热敏电阻和简易压力计测量 的电特性、光特性和热特性,可作为基础物理实验中发光二极管的拓展实验本文主要介绍了实验试题并给出了解答,结合物理背景知识和实际应用分析了命题背景和参赛学生答题情况试题 实验介绍实验装置包括:块相同的电路板(每块电路板上有个 、个定值电阻),个热敏电阻,个透明的塑料瓶,个密封盖,根管子,水,注射器,台万用表(其中台标注“”的万用表只能用来测量电压),个电位器,电源,导线,支架,带毫米刻度的方格纸电路板和电位器的连接如图所示绝对温度犜与热敏电阻阻值犚犜的关系为()电路板()电位器图实验装置示意图犜 (犚犜)(犚犜),()
4、式中,犜的单位为,犚犜的单位为 万用表有二极管模式,当二极管与“”(“”)和“”(“”)通道相连时,万用表可以显示二极管两端的电压,同时提供约 的电流(可以认为该电流保持不变)在简化的理论中,二极管电流犐、内部结点处的电压降犞和结的绝对温度犜满足:犐犃犞(狀 犞犜)犞(狀 犞犜),()其中,热电压犞犜犽狇犜,玻尔兹曼常量犽 ,元电荷狇 ;犃还取决于 的结构;狀为理想因子,通常狀;犞 为半导体材料的带隙电压,犞 和狀取决于 的材质二极管两端的电压还与串联寄生电阻犚有关,犞 犞犐犚,其中犚在的数量级提示:估算上述表达式的幅值以简化计算 实验任务任务(分)测量并画出 在恒流时电压温度关系图(电流应该
5、足够小从而使得犚上的电压降可以忽略);测定犞;通过额外的测量和合适的作图确定参量狀和犃;当电流增大时,可测量串联寄生电阻犚任务(分)定义 的发光效率为辐射出的光能与消耗的电能之比,在不使用热敏电阻的条件下测量 的发光效率任务(分)还可以用作太阳能电池(或光电二极管)光产生的光电流犐不依赖于电压而是正比于光强;二极管中的电流应该扣除光电流(犐犐犐)来自环境光的光电流足够小,不会影响之前的测量将个 相隔犱 正对放置,给其中个 施加恒定电流犐 在室温下,测定 在此光照设置下能获取的最大电功率犘 ;求解对应的光效率(输出电能与在 有效区域收到的光能之比)有效区域的面积犛 ,假设 均匀辐射到球面的比率为
6、 试题解答 任务使用万用表的二极管模式来测量 的电压犞电路板由电阻犚加热,用电位器来调节通过犚的电流测量数据如表所示通过估算可以发现,当犜 时,犞犜,远小于二极管两端的电压犞因此,对于恒定的电流犐,可以得到:犞犞 狀 犞犜犆(犆为常量),从而犞犞 犅 狀 犞犜犞 犅 狀 犽狇犜,其中犅为常量可见犞与犜呈线性关系犞 犜图如图所示,由线性回归可得犞 接下来使用小电流进行一系列测量,使二极管基本处于室温对式()取对数可得:犞犞 犞犜狀 犐狀 犃()表犞 犜测量数据犞犚犜 犜犞犚犜 犜 图犞 犜关系图因此,作出 犐关于犞犞 的关系图即可通过线性回归得到狀和犃也可以在恒定的电压下测量不同温度下的电流表达
7、式同式()测量数据如表所示,可得到犞犞 犞犜 犐关系图,如图所 示,进 而 求 得 斜 率狀 ,截 距狀 犃 ,因此犃 犃 物理实验第 卷表犞犞犌 犞犜 犾 狀犐犱测量数据犐犚犜 犜(犐)犞犞 犞犜 图犞犞 犞犜 犐关系图在大电流下,如果用电阻补偿保持温度恒定,电流变化犐会引起二极管结微小的电压变化犞,该变 化 远 小 于 串 联 寄 生 电 阻 的 电 压 变 化犚犐因此,在大电流限制下通过测量二极管电流犐与总电压犞 犞犐犚的关系得到犚,测量数据如表所示,关系曲线如图所示,进行线性回归可得斜率为犚 表犞 犐犱测量数据犚犜 犐犞 另外一种方法是,在大电流下测量电压、温度和电流,根据之前计算的结
8、果反推出串联寄生电阻上的电压选取大电流测量的种情况基于测到的电压是 两端电压,二极管结两端电压变化可以忽略图犞 犐关系图 任务任务要求在不使用热敏电阻的条件下测量 的发光效率,因此需要进行测量对象的转换,搭建实验装置寻找可以测量的物理量思路是比较个塑料瓶中空气的热膨胀,其中一个由 加热,另一个由电阻加热自组压力计测量压强的差异(瓶内和大气压之间的压差或个瓶内之间的压差)在根软管中填充水并折成型管,压力差通过型管内水面的高度差显示对于电阻,所有的电能以热能的形式释放;对于 ,一部分能量以光的形式辐射塑料瓶中的压强是温度的函数,而瓶内的温度又是由热耗散功率以及热量逸出塑料瓶的速率决定后者是瓶中温度
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