《第26届物理竞赛复赛山东赛区实验试题及解答1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第26届物理竞赛复赛山东赛区实验试题及解答1（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 26 届全国中学生物理竞赛山东赛区复赛实验试题及参考解答(2009.9.20)、 利用 RC 暂态电路充放电特性，测量待测电容的大小【实验仪器和用具】1、实验考试专用仪一台。实验考试专用仪的（G1） 、 （H1）两引脚间有一 1F 标准电容 C1，(G2)、 (H2)两引脚间有一待测电容C2（如图所示） ；E1 电源输出电压约为5V，E2 电源输出电压约为 9V；K2、K3 为单刀双掷开关；W1、W2 、W3 分别约为47、470K 和 10K 的可调电阻，W3 为多圈精密可调电位器；电压表内阻约为5.6K，A 表内阻约为 1.5K。2、DT9205 数字万用表一块， 3 位半显示，直流电
2、压档内阻约 10M，内阻不随电压档位的变化而变化。3、秒表一块，精度 0.01S。4、导线若干。【实验要求】1、 设计一个测量电容 C2 的实验方案，根据需要从提供的实验仪器与用具中选择合适器材，采用适当的方法和措施，尽量准确的测量。2、 写出实验原理及必要公式，画出实验电路图。3、 写出实验步骤。4、 详细记录实验数据，重复测量 5 次，并求出待测电容 C2 的大小。5、 要求所设计方案应可以尽量精确的测量待测电容的大小。【注意】1、 题目中所给出的阻值及电源输出电压值是不精确的。2、 连接电路时，务必注意电容的极性。3、 不能直接使用数字万用表的电容档测量待测电容【提示】RC 暂态电路放电
3、时电容两端的电压遵循以下规律：对于充电过程，满足： (1)tRCcuEe对于放电过程，满足：tc当 时： 。tRC0.368二、测量金属丝的杨氏模量【仪器与用具】半导体激光器，中心带有小孔的观察屏，光具架 2 个，小金属夹 2 个，短尺子，直尺，砝码 2 个，装有待测金属丝的支架一套。【内容】利用给定器具，测量金属丝的杨氏模量。【要求】1. 画出测量光路图，并标明各量，推导计算杨氏模量的公式。2. 简述调节、测量中的关键步骤和注意事项，尽量准确测量。3. 完整记录测量数据，并用逐差法求杨氏模量。4. 求直接测量量和杨氏模量的标准不确定度。【说明】1.在弹性范围内，金属丝伸长量 L 与受力 F
4、成正比，F/S=YL/L，其中 S 为丝的横截面积，L 为金属丝原长，Y 为杨氏模量。2.支架横梁与金属丝以及“L”形弯臂的长臂平行，金属丝与两端的连接铜柱的外侧壁紧密接触（固定） 。 “L”形弯臂的长臂 4 个凹槽以及弯臂转轴等间隔，间隔大小与金属丝到弯臂转轴的距离一致，均为 30.0 mm。3.“L”形弯臂的短臂上装有平面镜的小支架可以转动。4.金属丝直径 d=0.230 mm, 单个砝码质量 m=0.200 kg, 重力加速度 g=9.7988 N/kg。 【注意】 以卷面为主要评分依据参考答案一、【实验原理】RC 暂态电路（如图 1 所示）充电过程中，电容两端的电压 与电源电压 E 有
5、以下关系：cu(1)tRCce（1）令 ， 为 RC 暂态电路的时间常数，当 时，有：RC t（2）1()cuEe（3）0.632（3）式表明：在充电的过程中， 为 由 0 变为 0.632E 所需要的时间。cu同理，RC 暂态电路放电过程中， 满足：（4）tRCcuEe令 ， 为 RC 暂态电路的时间常数，当 时，有：RCtRC（5）0.368c（5）式表明：在放电的过程中， 为 由 E 变为 0.368E 所需要的时间。cu由（3）和（5）可知，充放电过程中， 和 E 可以用数字万用表的电压档测量， 即可由秒表测量。分别对 C1 和 C2 串联同一阻值电阻构成 RC 暂态电路，测量其 值，
6、则有：（6）1RC（7）2（6） 、 （7）两式可得：C2=2/1 C1 （8）【减小实验误差措施】1、电阻的选择为减小实验误差，选取电阻阻值要合适，将 R=470K、C=1F 代入（6）式可以求得为 0.47S，无法通过秒表手动测量。可以得出给定电阻阻值太小，而实验器材中并没有1其他可用的大阻值的电阻，只能使用数字万用表电压档的内阻代替 R，此时万用表显示数值为内阻两端的电压。2、充电电压的选择测量 时，计时结束的条件是 变为电源电压的 63.2%，或为电源电压的 36.8%。所cu使用的数字万用表为 3 位半精度，为减小计时误差，应使用万用表的 DC2V 档测量 ，这cu就要求计时结束时，
7、 值在 2V 以内。所以放电时选择 5V 电源，也可以使用可调电阻构c成分压电路，使输出电压的 36.8%的范围为 1.3V 左右。3、实验电路如图所示，采用放电法分别测量 C1 和 C2 对应的时间常数。【实验过程】1、连接好 R1，使用万用表电压档测量可调电阻输出电压，调节R1，使输出电压为3.6V。2、连接好 C1，万用表打到 DC2V 档，把 K 打到1，给电容充电。3、把 K 打到 2 放电的同时按动秒表开始计时，时刻关注万用表显示，直到显示小于等于充电电压的 36.8%时停止计时。4、重复 5 次测量，并记录数据。5、更换电容为 C2，重复 1-4 步。【实验数据】数据 1 数据
8、21 数据 31 数据 41 数据 51 平均值时间常数 1 11.78 11.81 11.66 11.75 11.66 11.73时间常数 2 35.43 35.71 35.43 35.32 35.56 35.49代入（8）式可得：=3.02F2C二、【原理及公式】 F/S=YL/L， LdF24bLDHRiiiii tan2tan0因为 较小，iiiLbH2dMgY28【仪器的调整】(1)调节支架的底脚螺丝，使支架横梁水平（水平泡） 。(2) 激光器放在离平面镜片尽量远的位置，调整平面镜、激光器的高度和位置，使激光束基本垂直照射到平面镜片（光束与丝平行） ；然后在激光器前放入观察屏（距激光
9、器尽量近） ，使激光束从小孔穿过，反射光斑照在竖直固定在屏上的尺子的刻度线上（尺子与小孔相切？） ，读出其示数 R0 。（3）由于“L”形弯臂的长臂 4 个凹槽以及弯臂转轴等间隔，间隔大小与金属丝到弯臂转轴的距离一致，均为 30.0 mm。在实验读数过程中， “L”形弯臂静止，所以其顺时针和逆时针的力矩相等。第一个凹槽加一 m 相当于。 。 。丝沿水平方向加以 mg 拉力，示数 R1；第二个槽加一 m 相当于。 。 。丝。 。 。加以 2mg 力，示数 R2；第三个槽加一 m 相当于。 。 。丝。 。 。加以 3mg 拉力，示数 R3；第四个槽加一 m 相当于。 。 。丝。 。 。加以 4mg
10、 拉力，示数 R4；第四和一个槽各加一 m 相当于。 。丝。 。加以 5mg 拉力，示数 R5；第四和二个槽各加一 m 相当于。 。丝。 。加以 6mg 拉力，示数 R6；第四和三个槽各加一 m 相当于。 。丝。 。加以 7mg 拉力，示数 R7.(4)考虑金属丝形变的滞后效应，应在增、减砝码时分别读数，取其平均值 Ri. 用米尺测量 L（金属丝两固定柱外侧间距）和 D（小尺子和镜面）的大小。【数据记录及处理】L= 491.3 mm, D=297.8 mm, （L,D,R 有效数字有错就扣） 次数 i 质量（kg）增重示数(mm)减重示数(mm)平均示数Ri(mm)间隔 4 次示数差Hi (m
11、m) （至少大于 10mm）0 0.000 40.0 40.2 40.11 0.200 42.5. 42.5 42.5H1=R4-R0=9.52 0.400 44.7 44.8 44.753 0.600 47.1 47.2 47.15H2=R5-R1=9.254 0.800 49.5 49.7 49.65 1.000 51.7 51.8 51.75H3=R6-R2=9.06 1.200 53.8 53.7 53.757 1.400 56.0 56.0 56.0H4=R7-R3=8.85H 平 =9.15Y= 2.0112980461011 N/m2 ， ，=0.5774=0.6 mm 31Le31De= 0.1429mm = 0.01578)14(2HiiH 222)()(HLYED=0.04X 1011 N/m210379.0EY 104.结果 Y=1.902.10 x 1011 N/m2 =0.5774=0.6 mm =0.10.2 mm LDH 0.041011 N/m2
