国际物理竞赛介绍

国际物理奥赛介绍智浪教育--普惠英才文库三、典型实验题的分析智浪教育--普惠英才文库36届国际奥林匹克物理实验考试智浪教育--普惠英才文库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18分以上18-16分16-1414-1010以下智浪教育--普惠英才文库用白炽灯测普朗克常数实验题：－2005年国际奥赛题智浪教育--普惠英才文库普朗克于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。F-1uT3T2T1背景知识:智浪教育--普惠英才文库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(2)020501Tcecu1251Tcecu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。(1)智浪教育--普惠英才文库本实验的基本组件•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)。•F-2•A•B•C•u•0•F-3智浪教育--普惠英才文库•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)023TcecR0uEER•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--普惠英才文库实验装置PlatformPotentiometerBatteryLampAVLDRCoverRulerSolutionfilterHolderGreyfilterVoltmeterAmmeterOhmeter部件：1.平台圆台上装置有光敏电阻、试管与及12V0.1A的电灯泡2.保护罩3.1k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。slRB智浪教育--普惠英才文库•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。83.081005.3T83,0BaRT智浪教育--普惠英才文库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RB，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-6051015202530450500550600650700750/nm%transmittance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γ1。(4)EbR智浪教育--普惠英才文库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-7F•F-8智浪教育--普惠英才文库•得到•(8)•在完成问题4的b)部分之前，不要进行这一步。bERn)512.0('EbRn512.0lnln'nnRR智浪教育--普惠英才文库•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V9.5V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•c)改写公式(3)，以得到lnR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=2.998·108ms-1;波耳兹曼常数,k=1.381·10-23JK-1)•F-9(9)Eq.lnln83.0023BRaccR智浪教育--普惠英才文库实验关键点:本实验包含了实验考试的诸多要素,原本是很好的素材.(6)1lnln23TccRT0R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--普惠英才文库考题解析智浪教育--普惠英才文库光量子的概念•Planck(1900):能量子h(h=Planck’sconstant6.63x10-34J.s,=frequency)•Einstein(1905):光子(photons)智浪教育--普惠英才文库热辐射与波长的关系:发射率(=1黑体)C1,C2:常数1251Tcecu智浪教育--普惠英才文库Wherec2=hc/kh:Planck’sconstantc:velocityoflightk:Boltzmann’sconstant1251TcecuPlanck辐射定律波长为的单位时间的辐射能本实验的主要目的智浪教育--普惠英才文库灯丝的光谱是连续的uwavelength,1251Tcecu智浪教育--普惠英才文库uwavelength,1251TcecuLiquidfilter0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智浪教育--普惠英才文库1251Tcecu该波长落在光敏电阻(LDR)的响应范围内Liquidfilter0uwavelength,智浪教育--普惠英才文库由公式:对于足够小的光敏电阻的阻值R与受到的辐射的关系光敏电阻接受的辐射能E正比于白炽灯的辐射出射度(3)0uE(4)EbR(1)1251Tcecub:常数:参数取对数,得(5)023TcecR(2)020501Tcecu由(2),(3)及(4):(6)1lnln023TccR作图lnRldr1/T2ch实验设计思路智浪教育--普惠英才文库实验装置:VoltmeterLampAmmeterPotentiometerBatterySolutionfilterLDROhmeterVA智浪教育--普惠英才文库部件PlatformPotentiometerBatteryLampAVLDRCoverRulerSolutionfilterHolderGreyfilterVoltmeterAmmeterOhmeter智浪教育--普惠英才文库实验步骤(6)1lnln23TccR用方程(6)求斜率之前,要确定一系列常数,进行定标,等等.T0R智浪教育--普惠英才文库RB0由I=0,V和I的关系外推83,0BaRTVA依据灯丝电阻(RB)与温度(T)的关系a由室温(T0)下的灯丝电阻(RB0)给出RTaB83.000万用表测量温度IRR0T灯丝温度的确定RBRB0实验数据拟合智浪教育--普惠英才文库滤光液体的透光波长Solutionof:-OrangeII.-CuSO4(itabsorbstheinfraredlight).05101520253035450500550600650700750l/nm%transmitance0=590nm/nm智浪教育--普惠英才文库光敏电阻LDR的参数EnRn0.512EnRn’GreyfilterbERn)512.0('EbRn512.0lnln'nnRR智浪教育--普惠英才文库RVA数据的测量VIRRB=V/IT=aRB0.83RB-0.83lnRRB-0.83lnRacm02V1I1R1RB1T1RB1-0.83lnR1V2I2R2RB2T2RB2-0.83lnR2V3I3R3RB3T3RB3-0.83lnR3VnInRnRBnTnRBn-0.83lnRn智浪教育--普惠英才文库acm02RB-0.83lnR由斜率得到amc02Planck´常数ckch2h:Planck´sconstant.k:Boltzmann´sconstant.c:speedoflight.智浪教育--普惠英才文库RB0由I=0,V和I的关系外推83,0BaRTa由室温(T0)下的灯丝电阻(RB0)给出RTaB83.000万用表测量温度T灯丝温度的确定实验关键点:光敏电阻