物理竞赛电学实验试题解析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,中学生奥林匹克物理夏令营实验系列讲座,主讲教师,何希庆,山东大学物理与微电子学院,2007.7,济南,物理竞赛电学实验试题解析,2,授课内容,第一讲 关于物理竞赛中的问题,第二讲 电学中的实验方法,第三讲 竞赛实验试题解析,电阻组合测量,黑盒子问题,航标灯自动控制,非平衡电桥及其应用,温度自动控制,数字万用电表设计及其应用,发光二极管的光电特性及其应用,交通灯控制电路设计,3,几点启示,、实验考试是比较薄弱的环节，乃是困扰着我省决赛成绩不尽人意的因素之一。,例如，,21,届青岛二中的李寅同学决赛理论成绩排在全国第八位，实验成绩将他拉到二等奖的第一名，与一等奖最后一名仅差,0.5,分，给他留下了遗憾，给我们提出了警示！,4,2,、必须加强中学实验教学、实验技能的培养、强化选手的实验培训，增强自信心。尽管与这两届的决赛题目相近的内容，我们在决赛辅导中均涉及到了相关内容。,例如，利用电桥原理设计乘法器、电阻率的组合测量，几乎与题目一致。但就是缺乏基本功的训练和实验技能的培养，实验素质困乏，缺乏自信，不能举一反三，另外两个光学题也涉及到相关内容。,5,存在问题,在决赛辅导中发现学生做实验：,不规范，背步骤，蒙数据，,不注意审题，急于求成，,不注意观察物理现象，,不太会分析实验结果，,不容易得出正确结论。,6,解题技巧,审题要仔细,原理要清晰,方法要得当,步骤要合理,现象要记录,数据要真实,操作要规范,书写要整齐,7,第二讲 电学中的实验方法,一、常测电学量,电流,电压,电动势,电阻,电容,电感,电场,磁场,电功,电功率,电阻率等,二、常用用具,电流表、电压表、欧姆表、万用表,电池、标准电池、电源、变压器,电阻箱、变阻器、电容器、电感,开关、二极管、三极管等,三、常规仪器,电桥,电势差计,信号发生器,示波器等,8,四、电学中的实验方法,欧姆表法,伏安法,替代法,电桥法,补偿法,半偏法,示波法,图解法,感应法,模拟法,9,伏安法及其应用,【例,1,】用伏安法测量电阻,【实验器材,】,稳压电源、电压表（内阻,R,V,）电流表（内阻,R,A,）待测电阻,R,X,、单刀开关。,【实验分析】,基本原理：欧姆定律,R,X,=,R,X,的两端电压,U/,通过,R,X,的电流,I,应用范围：主要用于测量电阻，尤其适用于测量非线性电阻（如二极管）的伏安特性。,方法特点：系统误差研究、非线性电阻测量，但操作较繁,方法问题：产生系统误差,消除办法,:,（,1,）,采用电流表外接法或电流表内接法（,2,）计算法,(,修正）,10,1,、,电流表外接法，如图所示，在该电路中电流表给出的电流,I,A,应等于电阻,R,X,上通过的电流,I,和电压表上通过的电流,I,V,之和，则测量绝对误差 主要来源于电压表的分流电流,I,V,，取,I=I,V,，则,IR,V,=IR,x,相对误差,E,1,为,:,11,2,、,电流表内接，如图所示，在该电路中电压表给出的电压,U,是电阻,R,X,上的电压,U,X,与电流表上的电压,U,A,之和，则测量绝对误差主要来源于电流表上的压降,U,A,。取,U=U,A,，则,相对误差：,E2=,U/Ux=Ra/Rx,12,3,、,电流表内、外接法的判别式。,若,E,1,E,2,则,当待测电阻 的影响就可忽略不计,电流表内接法（大）,的影响就可以忽略不计,电流表外接法（小）,.,说明：通过电流表内外接法的选择，可以减小相对误差，,13,4,、,修正公式,若根据采用的不同接法，分别将测量结果用相应的修正公式进行修正，则不论采用哪种接法均可得到正确结果（可以去除表头内阻引起的误差）：,电流表内接,电流表外接,14,【,注意事项,】,1,、正确使用开关。,2,、,电表的使用。,3,、,电流表内外接法判别式的正确使用。,4,、根据仪表实际分度情况确定有效数字位数,不能随意估读，影响测量精度。,5,、修正公式的正确使用。,15,半偏法及其应用,【例,2,】,用半偏法测量电表,A,1,的内阻,R,g,。,【实验器材,】,待测量表,A,1,、标准电表,A,2,、电阻箱两个、开关两个、电池、导线若干。,【实验概述,】,半偏法测量原理是利用电表的满偏电流与半偏电流之间的关系，求出电表的内阻,R,g,，测量线路主要有以下三种形式：,16,1,、第一种形式,：,如图所示，这是标准形式,恒流半偏法，即整个测量过程保持回路电流,I,不变，,以消除,R,2,并联后对回路电流的影响。,（,1,）按图接线，,K,2,断开，,K,1,合上，调节,R,1,，使,A,1,指示满刻度，记录此时,A,2,示数,I,。,（,2,）合上,K,2,，合理调节,R,1,、,R,2,，使,A,1,指针在满刻度一半的位置，,A,2,示数仍为,I,。,（,3,）由于回路电流,I,恒定，而,A,1,支路电流半偏转为,I/2,，则,R,2,支路电流也为,I/2,，故,R,g,=R,2,。,17,2,、第二种形式,（,1,）调节电阻箱为,R,1,值，为电表指示满高度,I,1,。,（,2,）再调节电阻箱为,R,2,值，使电表指针在满刻度一半的位置，此时电表示数,I,2,=I,1,/2,根据闭合电路欧姆定律，则,E=I,1,r+I,1,(R,g,+R,1,),E=I,2,r+I,2,(R,g,+R,2,),I,2,=,式中,E,为电源电动势，,r,为电源内阻，解上述方程组可得,R,g,=R,2,-2R,1,-r,如果电源的内阻,r,可以,忽略，则,R,g,=R,2,-2R,1,18,3,、第三种形式,（,1,）按图接线，,K,2,断开，,K,1,合上，调节,R,1,，使电表指示满刻度,I,，则：,式中,E,为电源电功势，,r,为电源内阻。,（,2,）合上,K,2,，调节,R,2,使电表指针在满刻度一半的位置，则电路总电流为,解上述方程组可得,如果电源的内阻可以忽略，则,19,【,注意事项,】,1,、,估算限流电阻的大小，不能使电表过载，防止损坏电表。,2,、后两种方法的局限性,。,20,替代法及其应用,【例,3,】,用替代法测二极管的正向电阻（工作电流,8mA,）,【实验器材,】,毫安表、电源、单刀双掷开关、滑线变阻器,R,0,、电阻箱、待测二极管、导线若干。,21,【实验概述,】,替代法简单明了，在许多场合下能得到较好的效果。,1,、,开关,K,倒向,1,，调节,R,0,，使回路电流为,8mA,。,2,、,使开关倒向,2,，调节,R,，使回电路恒定不变，则二极管在,8mA,工作电流,下的正向电阻为电阻箱的示值。,【,注意事项,】,替代元件显示的现象应与待测元件所显示的现象一致。,22,比较法及其应用,【例,4,】利用比较法测量电阻,【实验器材,】,标准电阻,R,0,、待测电阻,R,X,、滑线变阻器,R,、双刀双掷开关、电压表、单刀开关、电源、导线若干。,【实验概述,】,比较法类似于替代法，替代法显示的现象完全一致，而比较法显示的现象不完全一致，存在某种差异，但这种差异与一种内在的函数关系相联系（一般为线性关系），我们寻求到这种函数关系，则待测量也就迎刃而解了。,23,1,、,按图接线。,2,、分别测量标准电阻,R,0,、待测电阻,R,X,上的电压,U,0,、,U,X,，则,【,注意事项,】,寻求可以进行比较的函数关系。,24,直流电桥法及其应用,【例,5,】,用直流单电桥（惠斯登电桥）测电阻,。,【实验器材,】,四转盘电阻箱两只,（,R,1,、,R,2,）、六转盘电阻箱一只（,R,0,）、检流计（,G,），单刀开关、电源、导线若干、待测电阻（,R,X,）。,【实验概述,】,1,、按图所示接线，,R,1,、,R,2,称为比例臂，,R,0,为可调标准电阻，称为比较臂，检流计作为平衡批示器。,25,2,、按实验要求，预置比例臂，即,R,1,/R,2,的比值，调节,R,0,的大小，当检流计指零时，,B,、,D,两点电位相等，则,平衡时，,I,g,=0,U,BC,=U,DC,则,利用分比定理,化简后得到,26,电桥法测量实质采用的是比较法，它通过零指示器来判断电桥是否平衡，用可调的标准电阻,R,0,与待测电阻,R,X,进行比较，在众多场合下往往用其非平衡态的条件，此时要特别注意非平衡的状态。,【,注意事项,】,1,、,选择合适的比例臂，提高测量的精度。,2,、,精确度较高的电阻箱作为可调标准电阻,R,0,。,3,、,检流计的使用。,27,补偿法及其应用,【例,6,】用补偿法测量电池的电动势,【实验器材,】,直流稳压电源,E,、可变电阻器,R,P,、,检流计、,11m,电阻丝,R,AB,、单刀开关,K,1,、单刀双开关,K,2,、标准电池,E,X,、待测电阻,E,X,。,【实验概述,】,按图所示接线。若接通,K,1,。有电流,I,通过电阻丝,R,AB,，并在电阻丝上产生电势的降路，如若再将,E,S,接入电,路，可能会出现三种情况：,28,a,、当,E,S,U,AS,时，检流计中有电流通过（指针偏向一侧）,b,、当,E,S,E,S,、,EE,X,诸条件。,2,、电流标准化调节完毕，,R,P,、,E,就不能再变化，保持,I,O,恒定。,3,、在某些情况下，,I,O,作电流标准化的调节要留有余地。保证仪器,11m,电阻丝的压降大于待测电池电动势。,4,、标准电池一般为,1.01866V,。不允许用电压表去测量它的电动势，更不允许将它作为电源使用。,31,图解法及其应用,【例,7,】,用作图法测量未知电容,仪器用具,：信号源、真空管毫伏表、电阻箱、标准电容箱，未知电感,Lx,、待测电容,Cx,、计算器、坐标纸、及绘图工具等,要求,：画出电路图，说明测量原理、测量数据，并在坐标纸上作图求出,Cx,题说：本题系第,9,届全国中学生物理竞赛复赛（实验考试）山东省试题。根据谐振原理，利用谐振频率与电容间的关系作图求解。,32,【解答,】,：,电路图所示，图中,C,0,为标准电容箱，,Cx,为待测电容，谐振时，,令 ，,则,33,第三讲 竞赛实验试题解析,第三讲主要以第,20,届的复赛和决赛以及第,21,届、第,22,届的复赛实验试题为内容，刨析试题的命题方向、物理内涵、考查重点以及审题思路、解题方法、做题步骤等，旨在给同学以启发，作引玉之砖。,电阻组合测量,黑盒子问题,航标灯自动控制,非平衡电桥应用,温度自动控制,数字万用电表设计及其应用,34,【例,1,】,电阻组合测量,有,5,个电阻元件已分别装入,5,个小盒中,并接在接线柱上（不得打开小盒），它们的编号分别为,R,1,。,R,5,，其中,3,个电阻值较小，它们的电阻值基本相等（电阻值相差不大于,1%,），另两个电阻值也基本相等（其电阻值相差不大于,1%,），但它们的电阻值比前三个至少大,40%,。,请设计一种测试次数不超过,3,次，就一定能找出这两个阻值较大的电阻的实验方案。然后准确测量其中一个的电阻值。,35,【仪器和用具】,直流电源两组,E,1,和,E,2,（,E,1,E,2,其内阻可忽略）,AC5,型直流指针式检流计一只（其使用方法见附录）,检流计限流电阻一只（,R,b,）,六钮电阻箱一只,(,R,),导线若干,单刀双掷开关一只。,36,【分析】,根据,题目要求,、,给定的仪器和用具情况，采用电桥法和补偿法等二种测量方法，根据电桥的平衡条件和状态找出,2,个大电阻，利用补偿原理精确测出电阻值。,37,一、电桥法,1,、,按图所示接线，,R,1,、,R,2,称为比例臂，,R,0,为可调标准电阻，称为比较臂，,R,x,为被测电阻，检流计,G,作为平衡,指示器。,2,、,当检流计指零,(,Ig,=0),时,B,、,D,两点电位相等，,即,I,1,R,1,=I,2,R,2,IxR,X,=I,0,R,0,电桥平衡条件：,R,X,=R,1,/R,2,*R,0,或,R,X,R,2,=R,1,R,0,38,二、补偿法,补偿法,就是用已知的电压或电动势去抵消（或补偿）待测的电压或电动势的方法。（电位差计）,补偿原理,（,1,）工作回路,(R RM K E1),提供工作电流,（标准电压）,（,2,）补偿回路,E2 G Rb,按钮开关,（,3,）补偿调节,按下开关、反复,调节,R,使,G,指零,39,附录,AC5,型直流指针式检流计使用说明,1,使用时要水平放置。,2,将小旋钮拨向白色圆点位置，用零点调节器将指针调至零位。,3,按下,“,电计,”,按钮，检流计即被接入电路。开始调节时应在接入限流电阻的情况下，用跃按法（短暂接通）反复按下,“,电计,”,按钮，调节至检流计基本指零，然后拆除限流电阻，再细调至检流计指零。,4,如需将检流计长期接入电路时，可将,“,电计,”,按钮按下并转一角度锁住即可。,5,若使用时指针摆动不停，按一下,“,短路,”,按钮指针便立即停止,。,40,6,电流如果从,“,+,”,接线柱流入检流计，指针偏向表盘的,“,+,”,方向电流；如果从,“,-,”,接线柱流入检流计，指针偏向表盘的,“,-,”,方向。,7,检流计使用完毕后必须将小旋钮拨至红色圆点位置，同时把,“,电计,”,、,“,短路,”,旋钮放松。,8,检流计不得用作电流表读数。,注意安全使用检流计！,【题说】,第,20,届全国中学生物理奥林匹克竞赛决赛实验试题,41,【,要求,】,1,在试卷上写出你所设计的实验方案，该方案用不超过,3,次测试就一定能找出两个阻值较大的电阻。画出测量电路图、标上符号，写出实验步骤及判断方法。,2,用实验找出这两个电阻值较大的电阻，写出它们的编号。,3,在上面找出的两个阻值较大的电阻中任取一个，准确测定其电阻值（令为,R,M,）。不得使用其余,4,个待测电阻。,在试卷上画出测量电路图，写出实验步骤，导出计算公式，记录测量数据并求出结果（结果要能用,4,位有效数字表示）。,42,【点评】,20,届全国中学生物理竞赛决赛题（济南）,体现了目前的命题方向；,突出了基本实验原理的综合运用；,考察学生的综合应用知识解决问题能力；,43,【试题分析】,方案：,1,）,采用电桥平衡原理找出,2,大电阻,2),利用补偿原理测量其中,1,电阻值,试题分析：,若电桥基本平衡，桥路上的,4,个电阻一定为,2,大,2,小，桥外余下的是小电阻。,若电桥不平衡，桥路上的,4,个电阻可能为,3,小,1,大，余下,1,个大电阻；也可能为,2,大,2,小，余下,1,个小电阻。,44,若电桥基本平衡,则,（,Rm.Rn=Rn.Rm),桥路上的,4,个电阻一定为,2,大,2,小,桥外余下的是小电阻。,桥上电阻分布如图中的,4,种情况：,45,第一次平衡情况分析,46,若电桥不平衡,桥路上的,4,个电阻可能为,3,小,1,大；也可能为,2,大,2,小，,其分布如图中的,6,种情况,桥外余下的电阻在图中,(c),和,(f),情况为小电阻，在其他情况为大电阻。,47,48,结果,：,2,个大电阻的编号为,R2,、,R5,测量,R,M,方法一 电压补偿法,1.,测量电路如图,2,实验步骤及计算公式,第一次测量：,将,D,接,A,F,接,B,调节电阻箱并反复按下按钮开关，当检流计接近为,0,时，去掉限流电阻，继续调节电阻箱为,R,值时，检流计指,0,。则有：,(1),49,第二次测量：,将,D,接,B,F,接,C,调节电阻箱并反复按下按钮开关，当检流计接近为,0,时,去掉限流电阻，继续调节电阻箱为,R,值时，检流计指,0,。则有：（,2,）,式,、,联立，解得,：,50,方法二 电流补偿法,1,、测量电路如图,2,、实验步骤及计算公式,.,第一次测量，如图,调电阻箱为,R,值时检流计指零，则有,（,1,）,第二次测量，将电阻箱与,R,M,交换位置，再调电阻箱为,R,值时检流计指零，则有,（,2,）,二式联立解之得,51,【例,2,】,黑盒子问题,航标灯设计,从示范航标灯的原理图中不难看出，由电阻、电容、发光二极管、晶体三极管、直流电源、电源开关（自锁开关,/,绿色）等组成，另外一组等值的电阻、电容、发光二极管、晶体三极管、直流电源分别安装在黑盒中的各接线端子上，有部分器件（如,Ra,、,Rb,、,BG1,、,BG2,）已在电路板上标出。请注意,Ra,的标示有误，以试题中的示图为准！，黑盒中尚接有一个按钮开关（红色）。,52,试运用合适的仪器设备和正确的测量方法对上述器件进行判断，并选出合适的器件分别组合成自动控制的航标灯和手动控制的航标灯。,【,仪器和用具,】,数字万用表及其使用说明书、,黑盒子、示范航标灯原理电路、,接插导线等。,53,【,要求,】,1,、按下示范航标灯原理图下的电源开关，观察原理图上方发光二极管的发光情况；,2,、判断出各器件在盒子内的位置，并简述测试步骤；,3,、判断出发光二极管的极性（判断方法与晶体二极管相似）；,4,、利用盒内的器件，参照示范航标灯原理电路图，自组一个自动控制的航标灯；,5,、另外自组一个简易的手动控制航标灯（即每按一次按钮，灯亮一次，只控制一个灯（红,/,绿皆可）。所用元件仍从盒内选用）。,54,黑盒子器件布局图,55,【,说明,】,1,、黑盒子中的每个器件接在两个接线端子上，器件之间不混联（即一个端子上只接一个器件引脚）,2,、电容极性约定，接线端子序号小的一端为,“,+,”,，序号大的一端为,“,-,”,【题说】,第,20,届全国中学生物理奥林匹克竞赛复赛（山东赛区）实验试题,56,【,电学,黑盒子问题解法,】,电学黑盒：,把电子元件放入有若干接线柱的封闭盒子中，按某种方式连接，并接到接线柱上。,常用仪器,：万用电表、示波器、信号发生器、电阻箱、开关和导线等。,电子元件：,电阻、电容、电感、直流电源、交流电源、变压器、二极管、发光二极管等,判断流程：,通过在外部接线柱上的测试，进行分析、综合，判定盒内的电子元件、元件数值和电路连接，具有一定探索性。根据电子元件的特性和检测仪器的使用条件，电学黑盒子的检测方法和判断流程,57,电学黑盒子的检测方法和判断流程图,58,【,点评,】,第,20,届全国中学生物理奥林匹克竞赛复赛（山东赛区）实验试题,考查学生对电子元件特性的理解、分析判断能力，从黑盒子中找到航标灯所需有关元件；,考察学生对新知识的接受能力和实验技能；,通过手动和自动不同方案，让学生体会知识的重要性，进一步激发学生的求知欲望。,59,题型很多,有神秘感,诱导思考,全面分析,考察能力,有成就感,60,【,参考答案,】,1,、器件判断,利用排除法，根据器件特性进行识别判断。,首先，,找出电源,用万用表直流电压,20V,档，逐点测量，有,10V,显示的端子上即有电源，在图中标出或记下端子编号，例如：,接有电源，且,为电源正极，这两个端子在余后的检测中无须检测；,然后，用万用表欧姆表（建议,10k,档）测出图中,标示的,Ra,、,Rb,的阻值,，以便确定另外的,Ra,和,Rb(Ra,和,Rb,的参考值分别为,200,和,6.7K),；,61,用万用表欧姆表,检测电阻、电容、发光二极管和按钮开关等器件。,有确切阻值的是电阻；,有充、放电现象的是电容；,正反阻值相差悬殊的是发光二极管，且电阻小时，红表笔一端为发光二极管正极，进一步用万用表二极管档检测，若极性相符，则发光二极管亮；,按下按钮开关，电阻为零的端子接有按钮开关。,62,找出电源,接有电源，且,为电源正极，这两个端子在余后的检测中无须检测；,63,测出图中标示的,Ra,、,Rb,的阻值，以便确定另外的,Ra,和,Rb,64,黑盒中的器件布局图,检测电阻、电容、发光二极管和按钮开关等器件。,65,2,、组装自动控制航标灯,注意：本题要求旨在自动控制，因此按钮开关不接（接了不扣分？）得分（,16,线）,8,分 灯亮得,4,分、连线图正确的,4,分,66,3,、组装手动控制航标灯,画出控制原理图 得分：,5,分,67,【,例,3,】,温度自动控制电路的研究,如图所示是一个温度自动控制电路，其中，虚线左侧是非平衡电桥电路（通常称为电子温度计电路），以实现非电学量（温度）与电学量（电流）之间的转换，图中,W,A,、,W,B,分别用于电子温度计定标（即调节,mA,表指零和满度）虚线右侧是比较控制电路，用于,V,X,与,V,R,二个电压信号进行比较，,若,V,X,V,R,时，则电风扇运转；,当,V,X,V,R,时，则电风扇停转，,从而实现温度自动控制。,T,R,V,I,68,【仪器和用具】,数字万用电表、,电阻箱、实验板（数字温度计、热敏,电阻、加热器、毫安表、电位器、开,关、比较控制电路、电风扇）等。,【要求】,1,、,测量热敏电阻的特性曲线（,10,分）,将热敏电阻和数字温度计探头插入加热器中,(,已插好,),，按下加热器开关加热，从,30100,每隔,5,测量各温度下热敏电阻的电阻值（只测表中缺项即可），根据表中测量数据作热敏电阻的特性曲线。,69,T(C),30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,100,R,t,(,),529,448,380,323,276,238,205,179,137,70,2,、电子温度计定标,（,10,分）,根据原始电路参数和测量参数，接通,mA,表开关，将电子温度计定标于,30,（,0mA,）和,100,（,10mA,），简述定标过程。,3,、设计温度自动控制方案（,10,分）,试设计温度分别设定为,38,和,58,时的控制方案，简述操作步骤和自动控制的过程,。,71,【几点说明】,热敏电阻,它是阻值随温度变化而发生显著变化的敏感元件，在工作温度范围内，阻值随温度升高而增加的热敏电阻称为正温度系数的热敏电阻，反之称为负温度系数的热敏电阻。,通过热敏电阻可以把温度及温度的变化转换成电学量加以测量，也可以配以适当的电路实现温度自动检测和控制。热敏电阻被广泛应用于工业、农业、医疗、交通、军事科学研究等各个领域。,72,筒型加热器,用于加热调节温度变化，由开关控制。,数字式温度计,用于测温，其探头与热敏电阻已经插入加热器中。,热敏电阻的列表阻值可能与实际测量值有一定差异,这与数字温度计探头与热敏电阻所放的位置有关。,73,【,点评,】,第,20,届全国中学生物理奥林匹克竞赛复赛（山东赛区）实验试题；,进一步了解非平衡电桥的基本原理及其在日常生活中应用；,考察学生对新知识的接受能力和实验技能；,涉及传感器的相关知识。,74,【参考解答】,1,、,测量热敏电阻的特性曲线,接通加热器电源，分别测出各温度下的热敏电阻阻值；,根据测量数据绘制热敏电阻的温度特性曲线。,75,作热敏电阻的特性曲线,T(C),30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,100,R,t,(,),1260,990,790,640,540,529,448,380,323,276,238,205,179,137,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100,t,0,c,2000,1500,1000,500,*,*,*,*,*,*,*,*,(),76,2,、,电子温度计定标（,10,分）,定标的实质是确定测温范围，即下限温度和上限温度，并在电,流计上标明相应的温度。该步骤可用电阻箱代替热敏电阻 来完成,.,（,1,）确定下限温度,取,30,为下限温度，调电阻箱为热敏电阻,30,时的电阻值，接通,ma,表，调节,W,A,使电流表指,0,，即确定了下限温度,（,2,）确定上限温度,取,100,为上限温度，调电阻箱为热敏电阻,100,时的电阻值，接通,ma,表，调节,W,B,，使电流表指满量程，即确定了上限温度。,77,3,、设计温度自动控制方案,（,15,分）,方案,1,用电阻箱代替热敏电阻，确定相应的,V,R,从热敏电阻温度曲线上分别查出,38,和,58,时的电阻值，调节电阻箱为查出值，分别测量,ma,表两端的电压,调节,V,R,为测得电压值，然后接入热敏电阻，当温度超过设定温度时，电风扇运转，低于设定温度时，电风扇停转，如此过程周而复始，从而达到温度控制之目,的。,78,方案,2,从热敏电阻温度曲线上分别查出,38,和,58,时的电阻值，调节电阻箱为查出值，细心调节,V,R,使电风扇旋转为止，然后接入热敏电阻，当温度超过设定温度时，电风扇运转，低于设定温度时，电风扇停转，如此过程周而复始，从而达到温度控制之目的。,79,方案,3,直接接入热敏电阻加热，同时分别测量,38,和,58,时,ma,表两端的电压，调节,V,R,为测得电压值，然后接入热敏电阻，当温度超过设定温度时，电风扇运转，低于设定温度时电风扇停转，如此过程周而复始，从而达到温度控制之目的。,80,【,例,4,】,数字万用电表设计及其应用,试设计一个符合要求的数字万用表，并用该表测量未知电压和电流（选作）以及排除简易航标灯的电路故障，并调试之。,【仪器和用具】,数字微安表,（,0199.9A,，内阻,1K,左右）,电阻箱、电位器、电阻、蜂鸣器、,工作电源,E,1,（,5V,，内阻可略）、,使用电源,E,2,（,5V,，内阻可略）、,待测电压,V,R5,（,V,X,）待测电流,IR6,（,I,1,）、,航标灯电路（单刀双掷开关、,LED,指示灯、电源,E,2,）、接插导线等。,81,【要求】,1,、,将数字微安表改装成量程为,1.999V,的电压表，测量,V,R5,；,2,、将数字微安表改装成有,19.99mA,量程的电流表，测量,I,R6,；,3,、将蜂鸣器和电源,E,1,制作一个用于检查电路故障（通,/,断）的信号寻迹器。利用该信号寻迹器检查航标灯电路故障（故障设在连线上，其它正常）、并排除其故障；,4,、画出实验原理图，简述实验步骤。,【注意】估算限流电阻的大小，不能使电表过载，防止损坏电表！,一旦过载，显示,1,！,82,【说明】,数字微安表,（,0199.9A,，内阻,1K,左右），并已接工作电源,E,1,，按下电源开关，显示“,000”,，不显示小数点，改装后的表，小数点也不显示；,蜂鸣器是一个声响器件，只要加上合适的工作电源即可发出声音，常用于电子门铃、报警提示等场合；,LED,指示灯即发光二极管，通一额定电流即可正常发光，广泛应用于袖珍手电筒、钥匙灯、指示灯、电子广告牌（大屏幕）等领域；,83,除电阻箱和接插线外，所有器件均装配在仪器面板上，并标出它们的位置，如下图所示，其中工作电源,E,1,、使用电源,E,2,，它们的内阻忽略不计。,主要参数如下：,R,1,=8.1K R,2,=0.5,R,3,=91K R,4,=5.6,R,5,=100 R,6,=100 R,7,=47K,W,0,=400(,已固定不可调,),W,1,=10K W,2,=27,84,85,【分析】,本题属电表改装问题，可以利用,Rs=Rg/N-1,和,Rm=(M-1)Rg,计算,出扩程电阻即可。,未给出数字电流表内阻和合适的电阻值，前者用半偏法后者用替代法（电流,/,电压）确定其值。,利用自制的电子寻迹器，检查“简易航标灯电路”故障，并予以排除。,86,【步骤】,利用半偏法测出数字表内阻,Rg,方法一,电路图,首先调节电阻箱,R,使电表指示,199.8A,，记作,R,1,；,然后调节电阻箱,R,使电表指示,99.9A,，记作,R,2,；,最后根据公式,Rg=R,2,-2R,1,计算,Rg,。,87,方法二,电路图,接通电路，读出电流值,I,调节电阻箱使电流为,I/2,电阻箱示数即为,Rg,（,973,左右,）,88,电表扩程,计算,Rm=(M-1)Rg,和,Rs=Rg/N-1,（本题,M=10,，,N=100,）,Rm=8.757k,左右,Rs=9.8,左右,电压表扩程及其测量,利用替代法确定,Rm,电阻值（,R,1,+W,1,）,测量,V,R5,=1.010v,89,电流表扩程及其测量,*,选作题,利用分压法确定,Rs,电阻值（,R,4,+W,2,）,首先将电阻箱调至,Rs,，并测量,Rs,两端电压,V,Rs,然后利用,R,4,+W,2,替换电阻箱，调,W,2,使,R,4,+W,2,两端电压也为,V,Rs,，即确定,Rs,最后利用电流表测出,I,R6,=9.5ma,90,3,、电子寻迹器组装,根据原理图连线,排除“简易航标灯电路”故障,利用寻迹器检查电路；,利用连线排除故障；,调试“简易航标灯电路”，反复跃按按钮开关，红绿灯交替闪亮。,91,4,、排除“简易航标灯电路”故障,利用寻迹器检查电路；,利用连线排除故障；,调试“简易航标灯电路”，反复跃按按钮开关，红绿灯交替闪亮,。,92,【,例,5,】,发光二极管的光电特性及其应用（,本题,20,分）,通过研究发光二极管的光电特性，利用红、黄、绿三种发光二极管，设计一个模拟交通灯控制系统。,【仪器和用具】数字万用电表、电阻箱、实验箱,（电位器、发光二极管、接线端子）、实验箱,（发光二极管、电位器、单刀双掷开关、模拟交通灯自动控制电路、直流电源）、接插线,28,根等。,93,【要求】,1,、设计实验方案，测量一支红色发光二极管的正向伏安特性曲线及其正向阈值电压并估算其发光波长,注意：通过发光二极管的电流不宜过大,（,020mA,），以免烧毁。（实验箱,）,2,、判断出全部各色二极管的正负极；（实验箱,）,3,、根据交通灯自动模拟控制过程，试设计一个手动模拟交通灯控制系统。,画出控制原理图，写出操作步骤，简述控制全过程。,94,【几点说明】,数字式万用表与指针式万用表的不同,超量程显示“,1”,，测电阻时直接读取数据，其单位（,/K/M,）与使用的量程有关，其他亦然；,交通灯电路用接插线连接即可；,发光二极管发光波长近似计算公式：,1240,（,nm,eV,）,/,（,eV,）,=eUD,。,按下“电源开关”左路程序控制交通灯开始启动，右路是手动模拟交通灯控制电路设计区域；,“工作电源”输出,5V,。,题说：第,23,届（,2006,年）山东赛区实验试题,95,参考答案,一、发光二极管的光电特性及其应用,发光二极管特性实验方案,测量发光二极管特性,连接右图测试电路,调节电阻箱的阻值为,100,（取样,/,限流），先后调节电位器分压输出为,0V3V,分别测量,U,R,、（,I,）、,U,D,，,列表绘制特性线；,V(V),1.300,1.646,1.670,1.680,1.690,1.700,1.750,1.800,1.850,1.900,I(ma),0,0.150,0.280,0.370,0.490,0.630,2.010,4.590,8.500,15.30,发光状况,暗,暗,暗,暗,暗,暗,暗,微红,微亮,亮,亮,96,计算红色发光二极管的波长,在曲线上求出发光二极管的正向阈值电压,U,D,约为,1.79V,，利用公式计算发光波长约为,693nm,。,97,2,、二极管极性判断及其电路设计,利用数字万用表的二极管一档，分别测量东、西南、北方向的数个发光二极管，以确定它们的极性（若呈现电阻小，并且发光管亮，则红表笔端为正极）；,按右图连接电路，以组成手动模拟交通灯控制系统,98,3,、手动交通灯模拟控制系统操作演示,根据模拟交通灯自动控制系统展示，确定控制顺序：,先将,K,2,置于下方，,K,1,置于上方，南北禁止，东西通行；,15,秒后，将,K,2,置于上方，东西南北方向均亮黄灯暂停；,5,秒后将,K,2,置于下方，,K,1,置于下方，东西禁止南北通行,15,秒后，将,K,2,置于上方，东西南北方向均亮黄灯暂停；,5,秒后，将,K,2,置于下方，,K,1,置于上方，南北禁止，东西通行，。周而复始,