全国中学生物理竞赛实验参考一

全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义1本系列文档编排顺序取自北大出版社《全国中学生物理竞赛实验指导书》，内容参考了清华大学、山东大学、深圳大学、广东工业大学等基础物理实验室的网络公开课程讲义，比《指导书》更详实。供有志高中物理竞赛的学生老师参考，其中不免错误和疏漏，禁止用于纸介出版。第一部分含34个实验及相关器材、真题示例、实验报告示例、误差理论1、实验误差不需要器材，但需要了解相关误差理论。2、在气垫导轨上研究瞬时速度气轨、滑块、光电计时器（包括光电门）不同宽度的U型挡光片，不同厚度的垫块，游标卡尺。3、测定金属的杨氏模量测定杨氏模量专用装置一套（包括光杠杆、砝码、镜尺组）带有道口的米尺、钢板尺、螺旋测径器等。（二）用CCD成像系统测定杨氏模量器材测定杨氏模量专用支架、显微镜及支架、CCD成像系统（CCD摄像机及支架、监视器）米尺（带道口）螺旋测径器。4、研究单摆的运动特性单摆装置，带卡口的米尺，电子停表，光电计时器（现在实验室就有）5、气垫导轨上研究碰撞过程中动量和能量变化气轨，光电计时器，带有黏合器和碰簧的滑块，骑码，U形挡光片，游标卡尺，电子天平。6、测定空气中的声速声速测定仪（包含压电陶瓷换能器）功率函数发生器，示波器等。7、弦线上的驻波实验弦音计装置一套（包括驱动线圈和探测线圈各一个、1kg砝码和6根不同线密度的吉他弦），信号（功率函数）发生器一台，双踪示波器一台，螺旋测径器，米尺（长度大于80cm）电子天平（或物理天平）三通接头，水准泡等。8、测定冰的融化热量热器，电子天平，数字温度计，冰，冷、热水，烧杯，停表，干燥的布9、测定固体的线膨胀系数管式恒温电炉（或者管式蒸汽加热恒温炉），温度自动控制器，数字温度计，千分表，米尺，待测样品。10、测定液体的热容测定液体比热容的专用实验装置，数字温度计两台，电子天平，停表，热水和冷水，待测饱和热食盐水，饱和冷食盐水，自来水。11、学习使用数字万用电表数字万用电表，直流稳压电源，干电池，电阻，电阻箱，变阻器等。12、制流和分压电路直流稳压电源，变阻器两个（全电阻值分别为100Ω和1000Ω），电阻箱一个，多圈电位器一个（1000Ω，带有电阻比显示），数字万用电表两块，导线开关等。全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义213、测定直流电源的参数并研究其输出特性1号干电池一节，数字万用电表两块，电阻箱，定值电阻，开关，导线等。14、磁电式直流电表的改装待改装的磁电式电表的表头，数字万用电表（用作标准表），电阻箱，变阻器（或电位器），直流稳压电源，开关等。15、用量程为200mV的直流数字电压表组装多量程的直流电压表和直流电流表数字万用电表（三位半、四位半各一块），直流稳压电源，变阻器，电位器，电阻箱等。16、测量非线性元件的伏安特性直流稳压电源，变阻器两个，电阻箱，二极管，稳压二极管，小白炽灯泡，数字万用电表两块，导线，开关。17、直流平衡电桥电阻箱三个，代测电阻三个（几十欧、几百欧和几千欧的各一个），数字万用电表一块，直流稳压电源，开关，导线等。18、学习使用示波器通用型双踪示波器，信号发生器，直流电源等。19、观测电容特性两个电容（其中一个为电解电容，电容值约为几十微法；另一个电容值约为0.06μF），电阻箱，直流电源，信号发生器，数字万用电表，示波器，导线，开关等。20、黑盒子示波器，信号发生器，数字万用电表（没有测量电容的专用量程），电阻箱，密封元件盒子（也称为黑盒子），开关，导线。21、测量温度传感器的温度特性铂电阻温度传感器，pn结温度传感器，数字温度计，恒流源，数字万用电表两块，电阻箱，恒温系统，导线，开关等。22、测量热敏电阻的温度特性NTC型热敏电阻，PTC型热敏电阻，数字温度计，恒流源，恒温系统，数字万用电表两块，电阻箱，冰水混合物，导线，开关等。23、用霍尔效应测量磁场霍尔效应仪，稳流电源，稳压电源，安培表，数字万用电表两块，电阻箱等。24、测量光敏电阻的光电效应光敏电阻，直流电源，小灯泡（6V,0.15A），数字万用电表两块，电阻箱，电位器，实验暗箱等。25、研究光伏探测器的光电效应光电二极管，光电池，直流电源，小灯泡（6V,0.15A）,数字万用电表两块(其中一块表有直流电流200μA量程)，电阻箱（电位器），实验暗箱等。26、发光二极管的光电效应发光二极管（红、绿、篮三色），直流电源，数字万用电表，电阻箱，导线，开关。27、研究亥姆霍兹线圈轴线磁场分布间距可调的圆线圈一对，直流稳流电源，高灵敏度豪特斯拉计，无磁实验平台。全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义328、测定玻璃的折射率氦氖（He－Ne）激光器或半导体激光器，读数显微镜，玻璃砖，木板，白纸，大头针，直尺，量角器。29、测量薄透镜的焦距光具座，滑块，凸透镜，凹透镜，毛玻璃或成像屏，平面镜，光源，物屏，针尖。30、望远镜和显微镜凹透镜两块（焦距分别为4～6cm和25～30cm），扩展光源（白炽灯加毛玻璃），有细微特征的物屏，毛玻璃屏，纸制大标尺（等分10格，没格10cm），十字叉丝光阑，平面反射镜，光具座，滑块，读数显微镜，成品望远镜。31、光的干涉现象钠光灯，双棱镜，可调狭缝，凸透镜，毛玻璃屏，测微目镜，读数显微镜，白炽灯，氦氖激光器，短焦距扩束透镜，光具座，滑块灯。32、研究光的夫琅禾费衍射现象钠光灯，氦氖激光器，凸透镜两块，小孔光阑，单缝，矩孔，三角形孔，圆孔，一维透射光栅，正交光栅，圆屏，毛玻璃屏，皮尺，钢卷尺，钢米尺，卡尺，读数显微镜，测微目镜，光具座，滑块，白炽灯灯。33、调节分光计并用掠入射法测定折射率分光计，玻璃三棱镜，钠光灯，毛玻璃，平面反射镜，放大镜。34、观测氢原子光谱氢灯，汞（Hg）灯，平面透射光栅，分光计，放大镜，平面镜。全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义4真题示例，省级复赛总分40分由各省竞赛委员会参考《指导书》自主命题，有的省份会提前画出重点实验24个。全国决赛总分60分由当届主办方命题，都是两个大题。第28282828届全国中学生物理竞赛决赛实验试题一试卷及答卷直流电源特性的研究一、题目：一直流待测电源xE，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xE的开路电压；（2）利用所给仪器，测量待测电源xE的短路电流。二、仪器：直流待测电源xE，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直流电压源E一台，准确度等级0.5级指针式100微安直流电流表1A一台，准确度等级0.5级指针式多量程直流电流表2A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xE具有非线性内阻，不适合用UI−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1A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xE、3V直流电压源E、电流表1A、电流表2A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级管，作为平衡指示器使用时，可以不使用串联保护电阻。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。要求画出测量内阻的电路图，简述测量原理，给出测量结果；画出自组电压表的示意图，并标明元件的数值。2.1（5分）画出测量待测电源xE的开路电压的电路图，简述测量待测电源xE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xE开路电压的测量值。3.1（5分）画出测量待测电源xE短路电流的电路图，并简述测量待测电源xE短路电流的原理和步聚。3.2（7分）连接电路、测量并记录必要的数据，写出待测电源xE短路电流的测量值。实验试题一答题纸：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。要求画出测量内阻的电路图，简述测量原理，给出测量结果；画出自组电压表的示意图，并标明元件的数值。全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义52.1（5分）画出测量待测电源xE的开路电压的电路图，简述测量待测电源xE的开路电压的原理和步聚。2.2（6分）连接电路、测量并记录必要的数据，写出待测电源xE开路电压的测量值。3.1（5分）画出测量电源xE短路电流的电路图，并简述测量电源xE短路电流的原理和步聚。3.2（7分）连接电路、测量并记录必要的数据，写出待测电源xE短路电流的测量值。第28282828届全国中学生物理竞赛决赛实验试题二试卷及答卷光电效应的实验研究一、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束运动的粒子流，这些粒子称为光子，频率为v的光的每一个光子所具有的能量为hv，它不能再分割，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吸收光子的能量后，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：212mhvAmυ=+该式称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需做的最小功，212mmυ是光电子从金属表面逸出时所具有的最大初动能。h是普朗克常数。由方程可知，能够使某种金属产生光电子的入射光，其最低频率0v应由该金属的逸出功决定，0v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能将光电信号转化为电信号。光电管的示意图为：，其中K为阴极，光照后可发射光电子；A为阳极，加正电压时收集光电子，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，可得到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至一定值aU时，光电流才为零，aU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HI随照射光强度变化的特性称为光电特性。3．光电管的截止电压aU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aU，画出aUv∼的关系图，从而根据光电效应方程，可由图线求出普朗克常数h、阴极材料的截止频率0v和逸出功A。全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义6二、仪器用具1．装在暗盒中的光电管(附有挡光盖)一只；2．高压汞灯及其电源一套（附有挡光盖）；3．滤光片一组（其透射光的中心波长λ分别为365nm405nm436nm546nm577nm，，，，）；4．光阑一组（直径=2mm4mm8mmφ，，）；5．直流稳压电源1E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（3.3k3WΩ，）；7．专用微电流计一个及专用电缆线（它是实验仪中的微电流测量部分，用于测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，就串联在电路中，电流量程为89101112131010101010A−−−−−−，，，，，10。实验仪还有一个测量普朗克常数h时要用到的-2+2V∼电源2E及电压调节旋钮，仪器面板见使用说明）；8．直流电压表一个（0.5级，01530V∼∼）；9．光具座一个（附有标尺）；10．单刀开关1k一个；11．双刀双掷换向开关2k一个；12．导线若干。三、实验题目及要求1111．测定光电管的伏安特性（14141414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的滤光片使照射光为波长436nm的单色光，用=8mmφ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AKU（-3V30V∼），合理选择电压表和电流计量程（在911101