Съдържание

ВсОШ 2012, Заключителен етап, 9–11 клас — Задача 9.1. «Чёрный ящик-1»

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от ВсОШ 2012

XLVI Всероссийская олимпиада школьников по физике. Заключительный этап. Экспериментальный тур

Условие

В «чёрном ящике» с тремя выводами («К» — красный, «С» — синий, «Б» — белый) собрана электрическая цепь, состоящая из двух батареек, двух одинаковых светодиодов, размещённых на корпусе ящика, а также переключателя, который может находиться в трёх положениях (рис. 1). В центральном положении 3 все контакты переключателя разомкнуты.

Прямоугольный корпус «чёрного ящика»: внутри переключатель с контактами 1, 2 и центральным положением 3, два резистора, последовательно соединённые со светодиодами А и Б (стрелки излучения); снизу три вывода К, Б, С. — Рис. 1

Полупроводниковый светодиод – это устройство, которое пропускает электрический ток только в одном направлении и излучает при этом свет. Если светодиод включить в обратном направлении, ток через него течь не будет.

1. Расшифруйте и нарисуйте схему «чёрного ящика» без определения номиналов элементов. (Для выполнения этого пункта пользоваться мультиметрами не обязательно). Объясните ход вашего решения.

Примечание. Во избежание перегорания светодиодов последовательно каждому включен балластный резистор с сопротивлением $R = 510$ Ом.

2. Получите вольт-амперную характеристику (ВАХ) одного светодиода без балластного резистора в диапазоне напряжений на самом диоде $0 \div 1{,}8$ В. Постройте график ВАХ при значениях напряжения на светодиоде $1{,}2 \div 1{,}8$ В. Нанесите на него погрешности.

Примечание. Приборная погрешность прямых измерений напряжения и силы тока мультиметром равна 0,5 % от значения измеряемой величины.

Оборудование. «Чёрный ящик», потенциометр, батарейка «Крона», колодка для подключения батарейки (положительному выводу соответствует красный провод), миллиметровая бумага, два мультиметра.

Отговори

Решение

Поскольку в «чёрном ящике» находятся батарейки, начнём анализ цепи без подключения внешнего источника.

а) Замыкаем между собой выводу «К» и «Б». В положении (1) переключателя загорается светодиод А. В других положениях переключателя светодиоды не горят. Возможный фрагмент схемы приведен на рис. 5.

Фрагмент схемы между выводами К и Б: резистор и светодиод А соединены с точкой X, батарейка и переключатель в положении 1 (контакт 3 свободен). — Рис. 5

б) Замыкаем между собой выводу «Б» и «С». В положении (2) переключателя загорается светодиод Б. В других положениях переключателя светодиоды не горят. Возможный фрагмент схемы приведен на рис. 6.

Фрагмент схемы между выводами Б и С: от точки Y батарейка и переключатель в положении 2 (контакт 3 свободен), с другой стороны светодиод Б и резистор. — Рис. 6

в) Проверяем, соединены ли точки «X» и «Y». Для этого подключаем положительный вывод батарейки к выводу «С», а отрицательный к «К». Загораются оба светодиода. Следовательно выводы «X» и «Y» замкнуты накоротко.

г) Для проверки, замкнём накоротко выводы «К» и «С». При всех положениях ключа светодиоды не горят. Отсюда получаем схему «чёрного ящика» (рис. 7).

Полная схема «чёрного ящика»: общий верхний провод; слева резистор и светодиод А к выводу К, в центре две батарейки и переключатель с положениями 1, 2, 3 к выводу Б, справа светодиод Б и резистор к выводу С. — Рис. 7

Для снятия вольт-амперной характеристики соберем схему (рис. 8). Сила тока $I$ через диод равна силе тока $I_A$ через амперметр, Напряжение на диоде вычисляем по формуле $U = U_V/2 - I_A R$ , где $U_V$ — напряжение на вольтметре. Для увеличения точности проводим измерения три раза и строим график $I(U)$ . Пример ВАХ светодиода приведен на рис. 9.

Схема измерения ВАХ: батарейка с потенциометром, вольтметр V, амперметр A, два светодиода с резисторами, включённые навстречу друг другу. — Рис. 8

График ВАХ светодиода: по оси I, мА (отметки 0 и 4), по оси U, В (отметки 1,2; 1,3; 1,8); кривая начинается при 1,3 В и растёт, на ней точки с горизонтальными погрешностями, пунктиром отмечены 4 мА и 1,8 В. — Рис. 9

Оригинал в Архива: finalE12.pdf