ВсОШ 2012, Заключителен етап, 9–11 клас — Задача 10.1. Чёрный ящик-2
XLVI Всероссийская олимпиада школьников по физике. Заключительный этап. Экспериментальный тур
Условие
В чёрном ящике с тремя выводами («К» — красный, «С» — синий, «Б» — белый) находятся конденсатор, резистор (сопротивление резистора несколько мегаом) и цепочка последовательно соединённых диода и выключателя. Эти три элемента соединены либо «звездой», либо «треугольником».
1. Расшифруйте схему чёрного ящика.
2. Определите сопротивление резистора.
3. Определите ёмкость конденсатора.
4. Снимите вольт-амперную характеристику диода. Постройте её график.
Считайте, что погрешность измерений мультиметром составляет 0,5% от результата.
Оборудование. Чёрный ящик, соединительные провода, потенциометр, резистор с сопротивлением Ом (±5%), батарейка, цифровой вольтметр с внутренним сопротивлением МОм (±0,5%), секундомер.
Отговори
- Элементы соединены «треугольником».
Решение
- Определим схему черного ящика. Для этого будем подключать источник к каждой паре контактов (чтобы точно зарядить конденсатор) и смотреть напряжение на выходе. Понятно, что при схеме подключения «звезда» на паре контактов, содержащей резистор и диод при любом положении ключа напряжения не будет. При схеме подключения «треугольник» наоборот, между любыми двумя выводами есть напряжение, что и наблюдается в эксперименте. Таким образом мы определяем, что элементы в схеме соединены «треугольником».
Проделывая такой же эксперимент, можно определить положение резистора, а также положение, в котором ключ замкнут (в этом положении напряжение на резисторе будет, при другом – нет). Сопротивление резистора порядка нескольких МОм и сравнимо с сопротивлением вольтметра. Поэтому можно определить положение полностью заряженного конденсатора (при разомкнутом ключе напряжение на нем равно напряжению батарейки).
- Есть много способов определения сопротивления резистора. Например, полностью зарядим конденсатор и разомкнем ключ. Подключим вольтметр к выводам, содержащим диод. При этом
где – сопротивление резистора, – напряжение на нем в начальный момент, – сопротивление вольтметра, – напряжение батарейки.
Совершенно аналогично можно разомкнуть ключ и соединить резистор, вольтметр и батарейку последовательно.
- Емкость конденсатора можно определить по его разрядке. Зарядим его, соединим последовательно с резистором и вольтметром и будем снимать зависимость напряжения на вольтметре от времени. При разрядке напряжение на конденсаторе
По снятой зависимости можно получить величину , а следовательно и .
- Для снятия ВАХ диода будем использовать потенциометр для регулировки напряжения. Ключ должен быть замкнут. При подключении источника к диоду ток по остальной части черного ящика течь не будет (из-за большого сопротивления резистора). Вольтметр должен быть подключен последовательно с ящиком. По напряжению на нем мы узнаем ток, по разности напряжения батарейки и этого напряжения – напряжение на диоде.
Оригинал в Архива: finalE12.pdf