第1届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题的介绍与解答.pdf

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），（）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 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的函数因此，塑料瓶中的压强是热耗散功率的函数通过电位器调节电阻的加热功率，使得个透明塑料瓶中的压强相等，此时型管内水面的高度差为零在此状态下，当 的电功率为犘、电阻的电功率为犘时，的热耗散功率为犘，光的辐射功率为犘犘，的效率为犘犘塑料瓶中达到热平衡相对缓慢，大约需要等待 因此，找到 与电阻热耗散功率相等的状态是相对缓慢的过程替代的方法之一是假设与外界交换热量的速率是关于温度线性变化的，然后以瓶内压力作为热耗散功率的函数进行组测量：第一步，通有电流时测量；第二步，电阻通有电流时，狆狆（犘）将数据拟合为线性定律，狆犽 犘，可得相应的系数犽（对于 ）和犽（对于电阻），进而得到 的效率为 犽犽测量数据如表所示，将表中数据作图拟合第期任雨奇，等：第届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题的介绍与解答表求解测量数据犐犞犘犱犐犞犘犱 拟合图像如图所示，可得：犽 ，犽 ，效率 图犱 犘关系图 任务在该模型下，虽然光电流不依赖电压，但二极管电流依赖电压，故总电流仍依赖于电压为找到最大电功率，需要找到使犘犞 犐犞 犐最大的电压该任务有多种方法求解，一种方法是用电流表短接二极管来测量光电流犐 ，从而利用模型找到最大电功率犘 另一种方法是用电位器改变二极管的电压，测量电流和电压从而找到最大功率测量数据如表所示（其中犐犐犐，犘犞 犐），电路如图所示表犘 犞测量数据犞犐犘 图方法二电路图表中的数据分布如图所示，由图可知，犘 的光效率为犘 犘犻犘 犐犞犛 犱，（）其中，犐和犞为 另 一 只 的 电 流 和 电 压，犛 犱为到达 有效区域部分的光代入数据可得 图犘 犞关系图讨论与分析 答题情况本题满分 分，根据 网站公布的考试结果，本题最高得分 （来自德国队），平均得分 大部分学生的得分集中在分左右，最高分断层式领先第二名参赛队伍 命题背景分析本题的命题基于发光二极管在不同温度下的物理实验第 卷光电特性围绕该命题，探究了发光二极管的温度电压关系、发光效率和光效率，这些可以作为基础物理实验中的发光二极管相关实验的拓展，也可与专业实验结合 由俄 罗斯 科 学 家 奥 列 格 洛 塞 夫 于 年发明在 结上施加电压时，电子由侧注入到侧，空穴由侧注入到侧，当满足一定条件时，这些注入的载流子就会在穿越结界时互相湮灭并产生光子相较于传统灯具，使用寿命长、响应时间短、体积小、发光效率高、无有害物质、无频闪、色温宽，已在全世界普及成为主流照明产品据 研究报道，年我国半导体照明应用规模达 亿元，其中 亿元用于一般照明，占半导体照明市场的 由于 的优秀特性，其在通用照明、显示、高速通讯等各个领域都有广泛应用在大学基础物理实验中，对于 的光电特性、光谱特性以及热学特性研究都有涉及，试题中的第一部分利用伏安特性进行 参量测量是较为普通的实验试题的第二部分体现了较强的实验设计能力，利用塑料瓶和加水的软管自组了简易的压力计，利用软管内液面的高度进行压力读取类似的实验设计在第届 实验和第届全国大学生物理实验竞赛中也有体现，前者利用不同高度的水柱产生压力差，使得液滴悬停并测量水的表面张力系数，后者利用型计测量毛细管尖端产生气泡的最大气泡压进而求得水的表面张力系数在实验内容上，该部分综合了热学知识，没有采用功率计，而是将塑料瓶中的压强转换为热耗散功率的函数，灵活运用了物理实验方法第三部分实验设计也具有一定的创新性，研究了个 之间的光电耦合效率，调节参量使阻抗匹配以输出最大功率目前国内大多 实验以验证性实验为主，内容主要包括：绘制光电效应的伏安特性曲线，验证光电流与光强的关系，分析不同光强与频率下的截止电位；验证光电流与光强和频率的关系；验证爱因斯坦方程，确定普朗克常量的实验值部分高校开展了 光谱特性研究以及色度学实验 ，利用脉冲法或小电流法测量 结温的热学特性实验 及利用 结测量玻尔兹曼常量的实验，物理思想丰富，但目前在基础实验中覆盖面较低本试题中使用的设备简单，综合了 的电特性、光特性和热特性测量，特别是第二部分和第三部分，对于 综合性实验设计和物理知识的融会贯通等都有启示结束语发光二级管试题采用生活常见物品自主搭建实验架构的设计值得借鉴，这样的设计可以避免实验教学中出现的解答单一化和套路化问题，从而有助于提升学生的实验设计能力此外，这种设计还能避免因使用过于精密的仪器而缺乏对实验思想的训练在本题中，实验设计需要进行适当的近似，将待测物理量进行转换，这一思想对于常规教学的实验设计具有启发意义参考文献：（）：（）：（）：，（）：基泰尔固体物理导论 版项金钟，吴兴惠译北京：化学工业出版社，：林思棋 光效及热特性分析研究厦门：厦门大学，：（）：李文华，王槿，文小青，等基础实验题：液体的表面张力系数测量物理实验，（）：代如成纯色 的色彩设计与测试实验物理实验，（）：朱江，李强，刘东奇，等综合研究性实验试题：三基色 和硅光电池的光电特性及色度综合实验物理实验，（）：邹自立 综合特性测试教学实验系统的研究与开发杭州：浙江工业大学，陈乾，戴玉蓉，孙贵宁，等 热学特性研究及第期任雨奇，等：第届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题的介绍与解答应用实验仪物理实验，（）：祁玲敏，韩太坤，胡素梅，等基于 结的正向伏安特性测量玻尔兹曼常量的研究大学物理，（）：，犐 狀 狋 狉 狅 犱 狌 犮 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱狊 狅 犾 狌 狋 犻 狅 狀 狊 狋 狅 狋 犺 犲 犲 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 狇 狌 犲 狊 狋 犻 狅 狀狅 犳狋 犺 犲 狊 狋犈 狌 狉 狅 狆 犲 犪 狀犘 犺 狔 狊 犻 犮 狊犗 犾 狔 犿 狆 犻 犪 犱犲 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犲 狓 犪 犿 ，（，；，；（），）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；编辑：郭伟（上接 页）犇 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 犻 犪 犾犿 犲 犪 狊 狌 狉 犲 犿 犲 狀 狋 犪 狀 犱犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳犮 狅 犾 犾 犲 犮 狋 狅 狉 犮 狌 狉 狉 犲 狀 狋 犻 狀犉 狉 犪 狀 犽 犎 犲 狉 狋 狕犲 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 （，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；编辑：龙玉梅物理实验第 卷