【正文】 國際物理奧賽介紹 智浪教育 普惠英才文庫 三、典型實驗題的分析 智浪教育 普惠英才文庫 36屆國際奧林匹克物理實驗考試 智浪教育 普惠英才文庫 典型物理實驗題分析 2020年 36屆國際奧林匹克物理競賽實驗題為一題 ,學生考試 5小時 .試題與 2020年世界物理年紀念愛因斯坦成就 100年主題有一定關(guān)系 ,作為國際物理競賽 ,題目主題好 ,但難度一般 ,優(yōu)秀學生用 . 獲獎面 70％的 230學生名成績分布 滿分 20分 1 8 分以上1816分161414101 0 以下智浪教育 普惠英才文庫 用白熾燈測普朗克常數(shù) 實驗題： － 2020年國際奧賽題 智浪教育 普惠英才文庫 普朗克于 1900年提出光是以能量量子 hv 的形式從物體中放出的假設。在 1905年，愛因斯坦發(fā)展了這個假說，認為能量量子一旦被放出，就會變成一顆不變的光量子 (后來這量子被稱作光子 )。 常見的光就是由大量的光子聚在波前處形成的。雖然它們?nèi)缥矬w中的原子般隱藏在光波中，但普朗克常數(shù) h 揭露了它們的存在。 本實驗的目的是測量普朗克常數(shù)。 F1 u? ? T3 T2 T1 背景知識 : 智浪教育 普惠英才文庫 物體會在發(fā)出輻射的同時，吸收外界的輻射。黑體就是能完全吸收所有波長輻射的物體，同時它也是完全的輻射體。對電磁波來說，黑體是完全吸收，沒有反射，完全輻射的物體。真實物體不是“全黑”的；一個物體與相同溫度的黑體的輻射功率比就是該物體的發(fā)射率 ? ，通常 ? 與波長有關(guān)。 普朗克發(fā)現(xiàn)在絕對溫度為 T的物體輻射的波長為 ? 的電磁波的功率密度為 智浪教育 普惠英才文庫 考慮 ? 值小時，即在圖 F1左方離極大值很遠的位置，可以忽略 (1)式分母的 1 項，方程（ 1）可簡化成 ( 2) 020501Tcecu???????????????1251Tcecu???? 這里 c1及 c2 皆為常數(shù)，本題要求從實驗確定 c2 ，它正比于普朗克常數(shù) h。 (1) 智浪教育 普惠英才文庫 本實驗的基本組件 ? 輻射物體為白熾燈 A的鎢絲，有很寬的輻射光譜，而且發(fā)光度可調(diào)。 ? 試管 B裝有濾光液體，該液體只容許在可見譜中 ?0 值附近一非常窄的范圍的光通過 (見圖 F3)。 ? F2 ? A ? B ? C ? u? ? ? ?0 ? F3 智浪教育 普惠英才文庫 ? 光敏電阻（ LDR）的電阻 R 與其所受光照 E 有關(guān)，而 E 則與鎢絲的功率密度成正比 ? ? 式中無量綱參數(shù) ? 為 LDR的特征之一，需由本實驗中求得。從上面可得出 LDR的電阻 R 與鎢絲溫度 T 的關(guān)系 ? (3) 023TcecR ???? 0?uE ? ??? ER? 此式將 應用到。這個公式中 c3 是一個未知比例常數(shù)。本實驗的目的是通過測量不同溫度 T 對應的電阻 R，從而得到 c2。 智浪教育 普惠英才文庫 實驗裝置 Platform Potentiometer Battery Lamp A V ? LDR Cover Ruler Solution filter Holder Grey filter Voltmeter Ammeter Ohmeter 部件： 圓臺上裝置有光敏電阻、試管與及 12V 的電燈泡 k? 10匝電位器 (Pm) 電池 、黑導線 、黑導線 智浪教育 普惠英才文庫 問題 問題 1：線路圖 在答卷紙 1上畫出盒子里以及盒子之間完整的電路圖。 畫圖時 , 參照圖 F4所給的說明。 問題 2: 燈絲溫度的測量 ? 導電燈絲的電阻 RB滿足以下公式： (4) 式中 ?是導體的電阻率 , , l 是長度 , S是燈絲的橫截面積。 slRB ??智浪教育 普惠英才文庫 ? 由于以下一些原因，電阻與溫度有關(guān)： ? 金屬電阻率隨溫度的升高而增加。在 300K－3655K之間，鎢滿足以下經(jīng)驗關(guān)系（ SI單位制） ? (5) ? 熱膨脹造成燈絲長度和截面的改變。本實驗這個效應的影響很小，可以忽略不計。 ? 由（ 4）（ 5）式，忽略熱膨脹可以得到 ? (6) ? 可見，為了得到 T首先要確定 a。它可以通過測量環(huán)境溫度 T0下的燈絲電阻 RB,0而確定。 ???T 83,0BaRT ?智浪教育 普惠英才文庫 a) 用萬用表測量環(huán)境溫度 T0。 b) 直接用萬用表來測量 T0下的燈絲電阻 RB,0 是不可取的，因為測量時產(chǎn)生的電流會產(chǎn)生提高燈絲溫度。這里，為了測量 RB,0，將電池與電位器相連接。需要有足夠多的電流讀數(shù)，測量范圍在可以調(diào)節(jié)到的最小電壓至 1V之間。（ 100mV以下至少測量 15個點。）最后，將電位器置于起始位置，斷開電位器與電池之間的導線。 每一對 V和 I的值，求出相應的電阻值 RB 。注明實驗能夠達到的最小電壓。以 RB作為縱軸，作圖表示 RB與 I的關(guān)系。 智浪教育 普惠英才文庫 c) 觀察 b)得到的圖，選擇適當?shù)臄?shù)值范圍，線性擬合外推到原點，可以得到 R B， 0。 將所選擇的所有數(shù)據(jù)填在答卷紙的表中。求RB,0及 ΔRB0。 d) 用（ 6）式求 a 和 ?a的值， RB,0 用 Ω， T0 用 K 作單位。 智浪教育 普惠英才文庫 問題 3：從 圖 F6確定中心波長 ? 0 和 ??。 ? 濾光器的光學性質(zhì) ? 試管中有由硫酸銅等材料的濾光液體 ,它的用處是吸收燈泡的紅外輻射。 ? 濾光器的透射率 (透射光強與入射光強之比 )與波長關(guān)系如圖 F6 051015202530450 500 550 600 650 700 750? / n m% t ra n s m i t t a n c e注意： ? 0是透射率最大時對應的波長， 2 ??是指透射率降到極大值 1/2時的所對應的波長寬度。 智浪教育 普惠英才文庫 問題 4 ? LDR的性質(zhì) ? LDR的材料在黑暗中是不導電的。當光照射時 , 產(chǎn)生載流子 , 可以有電流通過。 LDR的電阻滿足以下公式 ? (7) ? 這里 b是常數(shù) ,它僅與 LDR的成分和幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。γ 是一個無量綱的參數(shù)，給出了電阻的變化隨 E關(guān)系。理論上，理想的 LDR的 γ = 1，然而，基于許多因素的作用，在實際情況下 γ 1。 ( 4 ) ???? EbR智浪教育 普惠英才文庫 γ的 測量是必需的。它可以通過圖 F－ 7所示的裝置，測量 R和 E的關(guān)系來完成。還需要在光源和試管之間插入透射率為 %灰度板 F（減光板），不需考慮透射率的誤差。如圖 F－ 8所示 ， 通過它產(chǎn)生為