第28届全国中学生物理竞赛实验篇
直流电源特性的研究
一、 题目：
得分 评卷 复核 一直流待测电源EX，开路电压小于2V。
（1）利用所给仪器，自组电压表、并测量待测电源EX的开路电压； （2）利用所给仪器，测量待测电源EX的短电流。 二、仪器：
直流待测电源EX，六位电阻箱二台，标称值350欧姆的滑线变阻器一台，标称值3V直流电源电压源E一台，准确度等级0.5级指针式100微安直流电流表A1一台，准确度等级0.5级指针式多量程直流电流表A2一台，准确度等级1.5级指针式检流计G一台，开关、导线若干。 三、说明：
1.待测电源EX具有非线性内阻，不适用U-I曲线外推法测量； 2.测量中需要的电压表用100微安指针式直流电流表A1和电阻箱自组； 3.标称值3V直流电压源E由两节1号干电池、15欧姆保护电阻串联构成；
4.所画测量电路中的待测电源EX、3V直流电压源E、电流表A1、电流表A2需用“+”和“—”标明其正负极性；
5.检流计G两接线端子上并联两个保护二极管，作为平衡指示器使用时，可以不适用串联保护电阻。如果测试中需要用检流计G判断电流是否为0时，应说明检流计G指示为0的判断方法或者判断过程。 四、要求：
1（7分）利用所给器材、测量100微安电流表内阻，并将100微安电流表改装成2.00V量程的电压表、要求画出测量内粗的电路图，简述测量原理，给出测量结果；
2.1（5分）画出测量待测电源EX的开路电源的电路图，简述测量待测电源EX开路电压的原理和步骤。
2.2（6分）连接电路、测量并记录必要的数据，标明待测电源EX开路电压的测量值。 3.1（5分）画出测量待测电源EX短路的电路图，并简述测量待测电源EX短路电流的原理和步骤。
3.2（7分）连接电路、测量并记录必要的数据，写出待测电源EX短路电流的测量值。
光电效应的实验研究
得分 评卷 复核 一、概述
金属及其化合物在光照射下发射电子的现象称为光电效应。爱因斯坦指出，一束光就是一束以光速运动的粒子流，这些粒子就称为光子，频率为v的光的每一个光子所具有的能量为hv，它不能在分割，而只能整个地被吸收或产生出来。根据能量守恒定律，当金属中的电子从入射光中的能量后，就获得能量hv，如果hv大于该金属的电子逸出功A，这个电子就可以从金属中逸出，叫做光电子，且有： 该式成为爱因斯坦光电效应方程。逸出功A是指一个电子脱离金属表面时所需做的最
2小功，1m?m是光电子从金属表面逸出时所具有的最大初动能。h是普克朗常数。由方
2程可知，能够使某种金属产生光电子的入射光，其最低频率v0应由该金属的逸出功决定，v0称为截止频率。而照射光的光强是由单位时间到达单位垂直面积的光子数决定的，光强越大，逸出的光电子数越多。
利用光电效应原理制成的光电管将能光信号转化为电信号。光电管的示意图为：
kA，其中K为阴极，光照后可发射光电子；A为阳极，加正电压时手机光电子。
负电压时阻止光电流。光电管的主要特性有：
1. 伏安特性：当照射光的频率和光强一定时，光电流随两极间电压变化的特性称为伏安特性。用不同强度的光照射光电管时，克的不同的伏安特性曲线。极间电压为零时，光电流并不为零。当光电管加反向电压一定值Ua时，光电流才为零，|Ua|称为截止电压。
2.光电特性：当照射光的频率和两极间电压一定时，饱和光电流IH随找射光强度变化的特性称为光电特性。
3.光电管的截止电压Ua与光照频率v有关，测出不同频率光照射下光电管的截止电压Ua，画出|Ua|~v的关系图，从而根据光电效应方程，可由图线求出普克朗常数h、阴极材料的截止频率v0和逸出功A。
二、仪器用具
1.装在暗盒中的光电管2.高压汞灯
kA（附有挡光盖）一只；
及其电源一套（附有挡光盖）；
3.滤光片一组（其透射光的中心波长?分别为365nm、405nm、436nm、546nm、577nm）；
4.光阑一组（直径??2mm，4mm，8mm）；
5.直流稳压电源E1一个（30V稳压恒流电源，已调至稳压状态，显示“CV”）； 6.电位器R一个（3.3k?，3W）； 7.专用微电流计
G一个及专用电缆线（它是试验仪中的微电流测量部分，用于测
就串联在电路中，电流量程为10?8、
量光电管所产生的光电流，电缆线实际是两条线，当用电缆线将实验仪背面的“微电流输入”与光电管暗盒背面的“K”接通时，
G10?9、10?10、10?11、10?12、10?13A。实验仪还有一个测量普克朗常数h时要用到的?2~?2V电源E2及电压调节旋钮，仪器面板见使用说明）； 8.直流电压表
V一个（0.5级，0~15~30V）；
9.光具座一个（附有标尺）； 10.单刀开关k1一个； 11.双刀双掷换向开关k2一个
12.导线若干
三、实验题目及要求
1.测定光电管的伏安特性（14分）
（1）画出实验电路图，注明所用仪器符号； （2）简述实验方案（或主要步骤）；
（3）连接电路，选择436nm的滤光片使照射光波长436nm的单色光，用??8nm的光阑固定光强，光源与光电管间的距离s调为40.0cm，改变光电管极间的电压UAK（?3V~30V），合理选择电压表和电流计量程（在10?9?10?11A范围内选），测量若干组电压UAK与电流I的值；
（4）在直角坐标纸上同一坐标系中作出UAK~I图。
注：测量时不准用实验仪内的?2~?30V电源，必须用所给的直流稳压电源等自组测量电路；实验仪中的电流测量部分作微分电流计使用。
2.用“零电流”法则定普克朗常数h及从图线上求出截止频率v0，并计算阴极材料的逸出功A。（16分） “零电流”法是直接将各谱线光照射下测得的电流为电流为零时对应的电压UAk的绝对值作为截止电压Ua。
（1）推导测量普克朗常数的实验公式，简述实验原理； （2）光电管用实验仪的?2~?2V电压输出端供电，用专用线连接电路，简述实验步骤； （3）固定s?30.0cm，??4mm，电流计量程用10?12档，用不同的滤光片以改变照射光的频率，在电流I?0及其两边各测两组共五组数据，以确定各自对应的截止电压Ua值； （4）作|Ua|~v图
（5）根据|Ua|~v图得出普克朗常数h的值（要有计算过程）；
（6）根据|Ua|~v图得出截止频率v0，并计算光电阴极材料的逸出功A。 注：这部分测量时要求用实验仪内的?2~?2V电源、电压表和电流计。
四、注意事项
（1）使用光电管和汞灯光源的挡光盖，不要使光电管暴露在强光下；不要用眼睛直视汞灯发出的光！换光阑和滤光片时，先将汞灯的遮光盖盖上！ （2）防止滤光片及光阑污染或打碎！
（3）指针式电压表如接错位置或正负极，指针反转会损坏仪表！ （4）调节到位后，读取数据宜迅速！
实验一参考答案及评分标准
本题共30分
1.（7分）利用100微安电流表和电阻箱改装成2.00V量程的电压表，利用所给元件设计该电压表的效验电路。要求画出测量内阻的电路图、测量原理和结果；自组电压表的示意图和元件的数值。
内阻测量采用电流半偏转法，电路如图，R1和R2为电阻箱，先把R1调30k欧姆，闭合S1，断开S2，调节电阻箱R1使得100微安电流表满偏，然后闭合S2，调节R2使得100微安电流表半偏转，此时R2的阻值为电流表的内阻值RG。 实测值电流表半偏时，R2?2500欧姆。 严格的说，当S2闭合后，回路总电阻会降低，当R2?RG时，回路总电阻减小了0.5RG，应该回路总电阻加上补偿，即在R1上增加0.5R2。此方法称为：回路总电阻补偿的电流半偏法。
回路总电阻补偿的电流半偏法实测值，R2?2700欧姆。 改装后电压表电路图为（电流表内阻以实际为准）： 1.62?0.06V，5分 1.62?0.08V，4分 1.62?0.1V，3分
3.（12分）画出测量电源EX短路电流的电路图，简述测量电源EX短路电流的原理和步骤。 评分：
电路图评分：
（1）电路图合理、正确，3分 使用误差大的方法如：
a：利用滑线变阻器比例进行计算；b：利用E?3V标称值计算；1分 （2）两个电源极性均正确，2分 （3）短路电流测量结果 14.5?0.5mA，7分 14.5?0.6mA，6分 14.5?0.7mA，4分 14.5?0.8mA，2分
少于三位有效数字，扣1分 电源结构：
一、待测电源EX为非线性内阻电源，结构如下： 二、标称3V直流电压源E结构如下： 评分标准：
电表内阻测量可以采用其它方法：
（1）电路图及测量原理合理、正确，3分 使用误差大的方法如：
a：用毫安表检测100毫安电流变化；b：用30K测量微安表内阻；c：使用E=3V标称值计算内阻；d：使用滑线变阻器比例阻值比例或阻值计算；各1分 （2）改装电压表图和参数正确，1分（有其中之一错误，0分） （3）内阻测量结构； 2700?100欧姆，3分 2700?200欧姆，2分 2700?300欧姆，1分
2（11分）画出测量待测电源EX开路电压的电路图，简述测量待测电源EX的开路电压的原理和步骤。
调节滑线变阻器W，当开关S1闭合、断开时，检流计G指针不动时（检流计指示为0），电压表的示值即为测电源EX的开路电压值。 （1）电路图合理、正确，3分 使用误差大的方法如：
a：利用滑线变阻器比例进行计算；b：利用E?3V标称值计算；1分 （2）说明补偿原理，1分 （3）标明两个电源极性，1分 （4）开路电压表测量结果 1.62?0.04V，6分
实验试题二参考答案及评分标准
本题共30分
1.测定光电管的伏安特性（14分） 1.1实验电路图（3分） 1.2实验步骤（3分）
①将加挡光盖的汞灯及光电管安装在光具座上，使二者的输出、输入口正对，调s?40.0cm，用专用电缆线将光电管与实验仪的“微电流输入”连接，接通汞灯及实验仪预热；
②按电路图接线。电压表选30V档，在光电管入光孔上加??8mm光阑及436nm滤光片，选量程最大档，微电流计调零后开试测，确定用10?10A（或10?11A）档测量； ③用K2使光电管加反向电压，改变电位器R，测量UAK为3~0V对应的光电流I，然后用K2加正向电压，测0~30V对应的光电流；
④将光阑换为??4nm，2mm，重复③，测量UAK、I值。 1.3数据记录（5分） ??436nm，S?40.0cm -3.0 -2.0 -1.0 -0.6 -0.1 -0.1 0.6 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 14.0 8.0 51.3.8 7.4 13.1 18.0 27.5 33.0 36.6 43.0 3 12.0.8 1.7 3.1 4.3 7.0 8.5 9.3 10.7 7 0.2 0.5 1.0 1.4 2.2 2.9 3.1 3.6 4.3 17.0 20.0 23.0 26.0 30.0 0 0.6 1.0 2.0 3.0 4.0 6.0 11.0
第届全国中学生物理竞赛实验篇
