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国际物理奥赛介绍

国际物理奥赛介绍. 三、典型实验题的分析. 36 届国际奥林匹克物理实验考试. 典型物理实验题分析. 2005 年 36 届国际奥林匹克物理竞赛实验题为一题 , 学生考试 5 小时 . 试题与 2005 年世界物理年纪念爱因斯坦成就 100 年主题有一定关系 , 作为国际物理竞赛 , 题目主题好 , 但难度一般 , 优秀学生用 3.5 小时能完成. 获奖面 70 ％的 230 学生名成绩分布 满分 20 分. 实验题：. 用白炽灯测普朗克常数. － 2005 年国际奥赛题. u . T 3. T 2. T 1. . F-1. 背景知识 :.

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Presentation Transcript

  1. 国际物理奥赛介绍 智浪教育--普惠英才文库

  2. 三、典型实验题的分析 智浪教育--普惠英才文库

  3. 36届国际奥林匹克物理实验考试 智浪教育--普惠英才文库

  4. 典型物理实验题分析 2005年36届国际奥林匹克物理竞赛实验题为一题,学生考试5小时.试题与2005年世界物理年纪念爱因斯坦成就100年主题有一定关系,作为国际物理竞赛,题目主题好,但难度一般,优秀学生用3.5小时能完成. 获奖面70％的 230学生名成绩分布 满分20分 智浪教育--普惠英才文库

  5. 实验题： 用白炽灯测普朗克常数 －2005年国际奥赛题 智浪教育--普惠英才文库

  6. u T3 T2 T1  F-1 背景知识: 普朗克于1900年提出光是以能量量子hv 的形式从物体中放出的假设。在1905年，爱因斯坦发展了这个假说，认为能量量子一旦被放出，就会变成一颗不变的光量子(后来这量子被称作光子)。 常见的光就是由大量的光子聚在波前处形成的。虽然它们如物体中的原子般隐藏在光波中，但普朗克常数 h 揭露了它们的存在。本实验的目的是测量普朗克常数。 智浪教育--普惠英才文库

  7. 物体会在发出辐射的同时，吸收外界的辐射。黑体就是能完全吸收所有波长辐射的物体，同时它也是完全的辐射体。对电磁波来说，黑体是完全吸收，没有反射，完全辐射的物体。真实物体不是“全黑”的；一个物体与相同温度的黑体的辐射功率比就是该物体的发射率 ，通常 与波长有关。 普朗克发现在绝对温度为T的物体辐射的波长为 的电磁波的功率密度为 智浪教育--普惠英才文库

  8. (1) 这里c1及c2 皆为常数，本题要求从实验确定c2 ，它正比于普朗克常数 h。 考虑值小时，即在图F-1左方离极大值很远的位置，可以忽略(1)式分母的 -1 项，方程（1）可简化成 智浪教育--普惠英才文库

  9. F-2 • A • C • B • u • F-3 •  • 0 本实验的基本组件 • 辐射物体为白炽灯A的钨丝，有很宽的辐射光谱，而且发光度可调。 • 试管B装有滤光液体，该液体只容许在可见谱中 0 值附近一非常窄的范围的光通过(见图F-3)。 智浪教育--普惠英才文库

  10. 光敏电阻（LDR）的电阻 R 与其所受光照 E 有关，而 E 则与钨丝的功率密度成正比 • 式中无量纲参数  为LDR的特征之一，需由本实验中求得。从上面可得出LDR的电阻 R与钨丝温度 T的关系 • (3) • 此式将 应用到。这个公式中c3是一个未知比例常数。本实验的目的是通过测量不同温度T 对应的电阻R，从而得到c2。 智浪教育--普惠英才文库

  11. Battery Cover Potentiometer LDR Lamp Solution filter Platform Holder Grey filter Ruler Ohmeter Voltmeter Ammeter  A V 实验装置 部件： 1.平台　圆台上装置有光敏电阻、试管与及12V 0.1A 的电灯泡 2.保护罩 3.1 k 10匝电位器(Pm) 4.12V 电池 5.用来连接平台到电位器的红、黑导线 6.用来连接电池与电位器的红、黑导线 7.用作欧姆表的万用表 8.用作电压表的万用表 9.用作电流表的万用表 10.装有滤光液体的试管 11.试管架 12.灰度滤光片 13.直尺 智浪教育--普惠英才文库

  12. 问题 问题1：线路图 在答卷纸1上画出盒子里以及盒子之间完整的电路图。 画图时, 参照图F-4所给的说明。 问题2:灯丝温度的测量 • 导电灯丝的电阻RB满足以下公式： (4) 式中是导体的电阻率, , l是长度, S是灯丝的横截面积。 智浪教育--普惠英才文库

  13. 由于以下一些原因，电阻与温度有关： • 金属电阻率随温度的升高而增加。在300K－3655K之间，钨满足以下经验关系（SI单位制） • (5) • 热膨胀造成灯丝长度和截面的改变。本实验这个效应的影响很小，可以忽略不计。 • 由（4）（5）式，忽略热膨胀可以得到 • (6) • 可见，为了得到T首先要确定a。它可以通过测量环境温度T0下的灯丝电阻RB,0而确定。 智浪教育--普惠英才文库

  14. a) 用万用表测量环境温度T0。 b) 直接用万用表来测量T0下的灯丝电阻RB,0是不可取的，因为测量时产生的电流会产生提高灯丝温度。这里，为了测量RB,0，将电池与电位器相连接。需要有足够多的电流读数，测量范围在可以调节到的最小电压至1V之间。（100mV以下至少测量15个点。）最后，将电位器置于起始位置，断开电位器与电池之间的导线。 每一对V和I的值，求出相应的电阻值RB。注明实验能够达到的最小电压。以RB作为纵轴，作图表示RB与I的关系。 智浪教育--普惠英才文库

  15. c) 观察b)得到的图，选择适当的数值范围，线性拟合外推到原点，可以得到R B，0。 将所选择的所有数据填在答卷纸的表中。求RB,0及ΔRB0。 d) 用（6）式求a和 a的值， RB,0用 Ω， T0用K 作单位。 智浪教育--普惠英才文库

  16. 问题3：从图F-6确定中心波长0和。 • 滤光器的光学性质 • 试管中有由硫酸铜等材料的滤光液体,它的用处是吸收灯泡的红外辐射。 • 滤光器的透射率(透射光强与入射光强之比)与波长关系如图F-6 注意： 0是透射率最大时对应的波长，2 是指透射率降到极大值1/2时的所对应的波长宽度。 智浪教育--普惠英才文库

  17. 问题4 • LDR的性质 • LDR的材料在黑暗中是不导电的。当光照射时, 产生载流子, 可以有电流通过。LDR的电阻满足以下公式 • (7) • 这里b是常数,它仅与LDR的成分和几何结构有关。γ是一个无量纲的参数，给出了电阻的变化随E关系。理论上，理想的LDR的γ = 1，然而，基于许多因素的作用，在实际情况下γ < 1。 智浪教育--普惠英才文库

  18. F-7 F γ的测量是必需的。它可以通过图F－7所示的装置，测量R和E的关系来完成。还需要在光源和试管之间插入透射率为51.2%灰度板F（减光板），不需考虑透射率的误差。如图F－8所示 ， 通过它产生为E’=0.512E的光强, 测量这时的LDR的电阻R’, 有 • F-8 智浪教育--普惠英才文库

  19. 得到 • (8) • 在完成问题4的b)部分之前，不要进行这一步。 智浪教育--普惠英才文库

  20. a) 开始本部分测量之前，将LDR保持在完全黑暗的条件下10分钟以上。连接电源电位器,慢慢转旋钮增加灯泡电压, 电压的取值范围从9.50V到11.50V。读出电压和对应电流的值，以得到对应的LDR电阻值(至少测量12组数据)。在答题纸上将这些数据列表。考虑到LDR的延迟,在到达V > 9.5 V时,大约等待10分钟后开始第一个量的测量,以后每5分钟测量一个值。在进行下一步之前先不要作数据处理。 • b) 在获得电阻R的最小值后,打开保护罩,如图F-9,放入灰度板,尽快盖上保 护罩,进行LDR电阻R’的测量。用这些数据和公式(8)计算 和Δ。 智浪教育--普惠英才文库

  21. F-9 • c) 改写公式(3)，以得到 ln R与 的线性关系。在答题纸上写出方程并标注为方程（9）。 • d) 使用a)获得的数据,作一张表格，用于方程(9)的作图。 • e) 作图并计算h和 Δh，可以用任何方法（允许使用考场提供的计算器的统计功能）。已知c2 = hc/k。 • （光速, c = 2.998 ·108 m s-1 ; 波耳兹曼常数, k = 1.381·10-23 J K-1) 智浪教育--普惠英才文库

  22. T R 0  实验关键点: 本实验包含了实验考试的诸多要素, 原本是很好的素材. • 基本技能的考察: 仪器安装, 数据测量与记录, 作图, 线性化, 处理数据, 误差分析… • 实验方法的考察: 温度的定标, 外推法的应用, 光敏电阻 的确定 智浪教育--普惠英才文库

  23. 考题解析 智浪教育--普惠英才文库

  24. 光量子的概念 • Planck (1900): 能量子 h (h= Planck’s constant 6.63x10-34 J.s,  =frequency) • Einstein (1905):光子 (photons) 智浪教育--普惠英才文库

  25. 热辐射与波长的关系  : 发射率(=1黑体) C1, C2 :常数 智浪教育--普惠英才文库

  26. Planck 辐射定律 波长为  的单位时间的辐射能 Where c2=hc/k h: Planck’s constant c: velocity of light k: Boltzmann’s constant 本实验的主要目的 智浪教育--普惠英才文库

  27. u wavelength,  灯丝的光谱是连续的 智浪教育--普惠英才文库

  28. u wavelength,  经过滤光液体以后,只留下可见光区内一个很窄的带, 我们假设它近似为单色的 0 Liquid filter 智浪教育--普惠英才文库

  29. u wavelength,  该波长落在光敏电阻(LDR)的响应范围内 0 Liquid filter 智浪教育--普惠英才文库

  30. 实验设计思路 lnRldr 1/ T 由公式: 对于足够小的  光敏电阻接受的辐射能 E 正比于 白炽灯的辐射出射度 作图 光敏电阻的阻值R与受到的辐射的关系 取对数,得 由 (2), (3) 及 (4): b: 常数 : 参数 智浪教育--普惠英才文库

  31. Solution filter Potentiometer LDR Lamp Ohmeter Battery Voltmeter  V A Ammeter 实验装置: 智浪教育--普惠英才文库

  32. Battery Cover Potentiometer LDR Lamp Solution filter Platform Holder Grey filter Ruler Ohmeter Voltmeter Ammeter  A V 部件 智浪教育--普惠英才文库

  33. R T 0  实验步骤 用方程 (6)求斜率之前, 要确定一系列常数, 进行定标, 等等. 智浪教育--普惠英才文库

  34. R R0 I V A T灯丝温度的确定 依据灯丝电阻(RB)与温度(T)的关系 RB 实验数据拟合 RB0 a由室温(T0)下的灯丝电阻(RB0)给出 万用表测量温度 RB0由 I= 0 , V和I的关系外推 智浪教育--普惠英才文库

  35. 0 = 590 nm  滤光液体的透光波长 • Solution of: • Orange II. • CuSO4 (it absorbs the infrared light). /nm 智浪教育--普惠英才文库

  36. En Rn Grey filter 0.512En Rn’ 光敏电阻 LDR的参数 智浪教育--普惠英才文库

  37. R V A lnR I V RB=V/I T = aRB0.83 RB-0.83 R lnR1 I1 V1 RB1 T1 RB1-0.83 R1 lnR2 I2 V2 R2 RB2 T2 RB2-0.83 lnR3 I3 V3 R3 RB3 T3 RB3-0.83 lnRn In Vn Rn RBn Tn RBn-0.83 lnR RB-0.83 数据的测量 智浪教育--普惠英才文库

  38. lnR RB-0.83 由斜率 得到 Planck´常数 h: Planck´s constant. k: Boltzmann´s constant. c: speed of light. 智浪教育--普惠英才文库

  39. 实验关键点: T灯丝温度的确定 光敏电阻 LDR的参数 a由室温(T0)下的灯丝电阻(RB0)给出 万用表测量温度 RB0由 I= 0 , V和I的关系外推 智浪教育--普惠英才文库

  40. B Pm • P  V A • P • A • Pm • B •  • V • Voltmeter • Battery • Ammeter • Ohmmeter • Potentiometer • Platform • Photoresistor • Incandescent Bulb • Potentiometer • Red socket • Black socket 实验解答 问题1 智浪教育--普惠英才文库

  41. 问题2 a) b) 智浪教育--普惠英才文库

  42. 智浪教育--普惠英才文库

  43. c) 智浪教育--普惠英才文库

  44. RB的误差1 RB的误差2（最小二乘法） RB0 = 11。39   RB0= 0.06  智浪教育--普惠英才文库

  45. d) 误差计算方法1 计算方法2 a = 39.4 智浪教育--普惠英才文库 a =0.3

  46. 问题3 • 2 = 620 – 565 ;  = 28 nm • 0= 590 nm  = 28 nm 智浪教育--普惠英才文库

  47. 问题4 For working out  we know that: R R = 5.07  0.01 kR’ R’ = 8.11  0.01 k 透光率 t = 51.2 % 智浪教育--普惠英才文库

  48. 方法1 方法2 智浪教育--普惠英才文库

  49. c) 智浪教育--普惠英才文库

  50. 智浪教育--普惠英才文库

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