第26屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽(決賽)實(shí)驗(yàn)試題解答.pdf

第 30卷 第 4 期 2010 年 4 月 物 理 實(shí) 驗(yàn) PHYSICS EXPERIMENTATION Vol. 30 No. 4 Apr. , 2010 收稿日期: 2009-11-30; 修改日期: 2009-12-21 基金項(xiàng)目: 國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目( No. J0730310) 作者簡(jiǎn)介: 陳元杰( 1975- ) , 男, 浙江杭州人, 復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系工程師, 學(xué)士, 從事半導(dǎo)體物理和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究. 通訊聯(lián)系人: 馬世紅( 1963- ) , 男, 河南溫縣人, 復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授, 博士, 從事功能超薄物理與器件物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究. 基礎(chǔ)教育研究 第 26 屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽( 決賽) 實(shí)驗(yàn)試題的解答與考試評(píng)析( 續(xù)) 陳元杰 ,殷海瑋 ,陸申龍 ,馬世紅 ( 復(fù)旦大學(xué) 物理學(xué)系 ,上海 200433) 3 實(shí)驗(yàn)試題的解答與評(píng)析 本實(shí)驗(yàn)要求研究光學(xué)玻璃材料的物理特性 ( 波長(zhǎng)范圍為 400 700 nm) . 3. 1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料 1) 玻璃樣品 1個(gè)( 利用 ZF1 光學(xué)玻璃制成的 三棱鏡,其頂角為 60 00 ,誤差為 2. 0 ) . 2) 小型光柵單色儀 1 個(gè)( 波長(zhǎng)范圍為 200 800 nm ,焦距為 72. 5 mm ,相對(duì)口徑為 1 4, 光柵 為 1 200 mm -1 ,波長(zhǎng)精度為 3 nm , 波長(zhǎng)重復(fù)性 為 1 nm , 外形 尺寸 為 90 mm 68 mm 62 mm) , 出射狹縫處附帶有可插入測(cè)角儀( 分光 計(jì)) 之準(zhǔn)直管的套筒( 如圖 5 所示) . 圖 5 小型光柵單色儀的外形 3) 發(fā)光光源( 已將其與小型光柵單色儀固定 在一起,且對(duì)準(zhǔn)后者的入射狹縫) : 由 4 個(gè)發(fā)光二 極管( LED, 白光, 3. 0 V , 5 W) 及其燈座, 1 個(gè) CX-4403A 型直流電源變壓器( 附帶 1 個(gè)輸出端 插頭和 1 個(gè)輸出端插座 ,后者與 LED 燈座相連) 組成 . 4) 測(cè)角儀( 分光計(jì)) 1 臺(tái) ,組成見圖 6. 1. 三角底座 2. 準(zhǔn)直管 3. 水平方向調(diào)節(jié)螺釘 4. 傾角調(diào)節(jié)螺釘 5. 寬度可調(diào)節(jié)的狹縫及其套筒( 用 “ 小型光柵單色儀”上的“ 出射縫處的套筒”替代) 6. 狹縫位置鎖定螺釘 7. 望遠(yuǎn)鏡 8. 水平方向調(diào)節(jié) 螺釘 9. 傾角調(diào)節(jié)螺釘 10. 套筒位置鎖定螺釘 11. 照明燈筒 12. 目鏡清晰度調(diào)節(jié)手輪 13. 望遠(yuǎn)鏡 微調(diào)螺釘 14. 望遠(yuǎn)鏡與刻度盤聯(lián)動(dòng)螺釘 15. 望遠(yuǎn) 鏡止動(dòng)螺釘( 位于圖的背面) 16. 圓刻度盤 17. 角 游標(biāo) 18. 游標(biāo)盤微調(diào)螺釘 19. 游標(biāo)盤止動(dòng)螺釘 20. 載物平臺(tái) 21. 載物臺(tái)調(diào)平螺釘 22. 載物臺(tái)鎖定 螺釘 圖 6 測(cè)角儀( 分光計(jì)) 結(jié)構(gòu)示意圖 5) 平面鏡 1 面. 6) 直鋼尺 1 把( 量程 30 cm ,分度 0. 1 cm) . 7) 2 張作圖用的坐標(biāo)紙( 20 cm 25 cm) . 8) 黑色水筆 1支 、 HB 鉛筆 1 支、 橡皮 1 塊. 9) 含線性擬合功能的計(jì)算器 1 個(gè)( CASIO, fx-82ES 型) . 3. 2 實(shí)驗(yàn)要求 在初步調(diào)好測(cè)角儀( 分光計(jì)) 的基礎(chǔ)上, 首先, 將光柵單色儀出射狹縫處的套筒插入分光計(jì)的準(zhǔn) 直管中, 接通電源點(diǎn)亮 LED 后 ,前后調(diào)節(jié)該狹縫 的位置以保證其發(fā)出平行光, 亦即通過測(cè)角儀( 分 光計(jì)) 的望遠(yuǎn)鏡可觀察到出射狹縫清晰的兩側(cè)刀 口. 此時(shí) , 已經(jīng)完全能夠?qū)⑿⌒凸鈻艈紊珒x與 LED 的有機(jī)組合視作為平行線光源. 轉(zhuǎn)動(dòng)光柵單色儀的鼓輪( 注意 : 測(cè)量過程中應(yīng) 始終順著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)) ,即可得到由準(zhǔn)直管射出 的波長(zhǎng)連續(xù)可變的單色平行光. 記下鼓輪上的讀 數(shù)刻度值 ,放大 100 倍后 ,就是光柵單色儀輸出光 所對(duì)應(yīng)光譜線的波長(zhǎng)( ) 數(shù)值( 單位: nm) . 根據(jù) 上述該組合光源的特點(diǎn) ,就可以實(shí)現(xiàn)僅僅利用氣 體光源( 如 : 高壓汞燈等) 時(shí)所不能進(jìn)行的角色散 率與波長(zhǎng) 的關(guān)系曲線的測(cè)量. 1)多次測(cè)量譜線波長(zhǎng)為 579. 0 nm 的最小偏 向角( 要求 : 測(cè)量次數(shù)不少于 3 次) ,計(jì)算對(duì)應(yīng)的折 射率 ,最后用不確定度表示該測(cè)量結(jié)果 . ( 25 分) 2) 測(cè)定光學(xué)玻璃材料的色散曲線. ( 50 分) 在可見光范圍內(nèi), 單次測(cè)量不同波長(zhǎng) 的最 小偏向角( 即在 400 700 nm 之間 , 至少需要測(cè) 量 20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)) , 并計(jì)算其所對(duì)應(yīng)的折射率 . 將 全部測(cè)定的 對(duì)應(yīng)的n 值列成數(shù)據(jù)表格. 以 為 橫坐標(biāo),n 為縱坐標(biāo) , 畫出 n- 的色散關(guān)系曲線. 最后 ,給出所求光學(xué)玻璃的特征常數(shù) C1和 C2. 3)利用在上面的實(shí)驗(yàn)中已獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 值,繪出所求光學(xué)玻璃材料的角色散率與波長(zhǎng) 的關(guān)系曲線. ( 25 分) 在可見光范圍內(nèi) ,將 2 相鄰相近的單色光譜 線( 設(shè)波長(zhǎng)差為 =10 nm) 作為 1 組光譜線對(duì) ( 實(shí)驗(yàn)中至少需要 10 組線對(duì)) ,取其中心波長(zhǎng)( 指 光譜線對(duì)的平均波長(zhǎng)) 作為該光譜線對(duì)的波長(zhǎng)值. 用所選光譜線對(duì)已測(cè)得的 2 個(gè)最小偏向角 ,即可 得到該光譜線對(duì)最小偏向角的差值 ,進(jìn)而可算 得各中心波長(zhǎng) 的角色散率 / 值. 將全部測(cè) 定的 對(duì)應(yīng)的 /值列成數(shù)據(jù)表格. 以 為橫 坐標(biāo) , / 為縱坐標(biāo),畫出 / - 關(guān)系曲線 . 說明 : 測(cè)角儀的望遠(yuǎn)鏡已聚焦于無窮遠(yuǎn)處( 實(shí) 驗(yàn)過程中可以微調(diào)目鏡) ; 已調(diào)好準(zhǔn)直管的光軸與 儀器轉(zhuǎn)軸垂直; 望遠(yuǎn)鏡的光軸與儀器轉(zhuǎn)軸已垂直 在測(cè)量過程中, 切勿再作調(diào)節(jié) . 3. 3 實(shí)驗(yàn)原理 光學(xué)材料的色散現(xiàn)象是指該材料折射率 n 或 吸收系數(shù) 隨光波波長(zhǎng) 變化的宏觀表現(xiàn). 由于 光與材料相互作用的結(jié)果, 一般色散規(guī)律或 n 值 隨波長(zhǎng) 值的變化呈非線性變化關(guān)系 . 在不同波 長(zhǎng) 的單色光波下 ,利用測(cè)角儀( 分光計(jì)) 測(cè)出玻 璃材料( 三棱鏡) 對(duì)應(yīng)的該單色光波的最小偏向 角,進(jìn)而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的折射率 n 值 ,就可以獲得折 射率 n 與波長(zhǎng) 關(guān)系的色散曲線 . 最小偏向角方法測(cè)定玻璃材料折射率 n 的物 理原理,可參見圖 7. 當(dāng)光線經(jīng)棱鏡 2 次折射 ,其 傳播方向總的變化可用入射光線 a 和出射光線 t 延長(zhǎng)線的夾角 來表示 , 叫做偏向角 . 理論上可 以證明: 當(dāng)入射光線 a 和出射光線 t 對(duì)稱地“分 布”在棱鏡兩旁時(shí) ,偏向角有最小值, 叫最小偏向 角,常用 m表示 . 故折射率 n 可由下式表示: n= sin A + m 2 sin A 2 .( 1) 圖 7 最小偏向角法測(cè)量原理 常用玻璃棱鏡的角色散率 D來標(biāo)志分光色 散( 儀器) 的光學(xué)性能指標(biāo) . 它的定義是: 光波長(zhǎng) 差 的兩條光譜線經(jīng)棱鏡折射后, 相應(yīng)最小偏 向角差 與 的比值,即 D= d d. ( 2) D單位為: rad/mm 或( ) /mm . 亦即 D值越大, 說明波長(zhǎng)相差 1 個(gè)單位的兩譜線所分開的角度越 大,角色散的本領(lǐng)也越大 . 當(dāng)光波波長(zhǎng) 增加時(shí) ,如材料折射率 n 和色 散率v = dn/d 都減小, 這樣的色散現(xiàn)象叫做正常 色散現(xiàn)象 . 反之, 則叫反常色散現(xiàn)象. 依據(jù)一定 的物理模型,可以推導(dǎo)出描述正常色散現(xiàn)象的柯 西( Cauchy)經(jīng)驗(yàn)公式 : n=C1+C 2 2+ C3 4,( 3) 式中 C1,C2或 C3是表征材料特性的常量. 3. 4 試題的特點(diǎn) 1) 少部分參賽學(xué)生和領(lǐng)隊(duì)教師反映該題目的 難度不是很大 ,但是實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容似乎較多. 對(duì)此, 筆者不敢茍同 . 本題要求考生在 1 . 5 h 內(nèi)完成, 可以考查學(xué)生熟練掌握物理基本儀器的能力, 以 23第 4 期 陳元杰, 等: 第 26 屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽( 決賽) 實(shí)驗(yàn)試題的解答與考試評(píng)析( 續(xù)) 及必備的物理實(shí)驗(yàn)技能. 2) 該題目突出了“新穎”和“綜合”兩個(gè)要求. 常見的測(cè)角儀( 分光計(jì)) 主要是用來測(cè)量角度的, 進(jìn)而可獲得一些物理參量, 如光柵常量、折射率 等. 而單色儀的基本物理原理, 在競(jìng)賽的內(nèi)容提 要或中學(xué)物理教材中均有提及, 應(yīng)不會(huì)讓絕大多 數(shù)學(xué)生感到陌生 . 但將上述 2 個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器單元綜 合在一起 ,作為本實(shí)驗(yàn)試題的考查內(nèi)容 ,對(duì)所有的 參賽學(xué)生而言, 幾乎是沒有接觸過的( 尤其是第 3 個(gè)問題的內(nèi)容) . 應(yīng)該講這對(duì)中學(xué)生是一個(gè)挑戰(zhàn). 相信只有那些少數(shù)優(yōu)秀的 、 比較靈活的和熟練掌 握實(shí)驗(yàn)原理的考生 , 才能得到正確答案. 參賽學(xué) 生的考試成績(jī)分布( 見表 2) 恰好能夠說明這一 點(diǎn). 考試結(jié)果表明 , 該題能真正考查考生的實(shí)驗(yàn) 動(dòng)手能力和技能 ,符合筆者的命題初衷 . 3) 取材容易. 本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所用的儀器絕大部 分是國(guó)內(nèi)大部分高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)中心必備的一 些常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器和日常生活中的常見物品, 如 測(cè)角儀( 分光計(jì)) 、 平面鏡 、LED 發(fā)光二極管 、 小型 直流電源變壓器、直鋼尺、計(jì)算器等 . 儀器和用品 既容易準(zhǔn)備,又不容易損壞. 4) 參加實(shí)驗(yàn)試題 考試的 280 名選手得分的 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 該題有較好的區(qū)分度,詳見表 2 . 表 2 實(shí)驗(yàn)試題 的區(qū)分度 題號(hào)( 滿分)最高分( 人數(shù)) 最低分( 人數(shù))平均分 標(biāo)準(zhǔn)差 -1( 25 分) 25. 0( 36 人)0( 6 人)19. 26. 4 -2( 50 分) 50. 0( 1 人)0( 43 人)17. 913. 5 -3( 25 分)23( 2人)0( 239 人)1. 33. 9 總分( 100 分) 92. 5( 1 人)0( 6 人)38. 219. 3 注: 實(shí)驗(yàn)試題 的滿分僅占競(jìng)賽( 決賽)總成績(jī)滿分 200 分中的 30 分. 由表 2 可見 : 本次決賽實(shí)驗(yàn)考試,能將考生的 實(shí)驗(yàn)成績(jī)拉開, 使理論基礎(chǔ)扎實(shí)、 動(dòng)手能力強(qiáng)的考 生能取得較好的競(jìng)賽成績(jī) . 本次物理競(jìng)賽( 決賽) 一等獎(jiǎng)共 50 名 ,他( 她) 們的理論成績(jī)均排在參加 決賽的 280 名選手中的前 75 名,可見本次實(shí)驗(yàn)考 試成績(jī)?cè)谖锢砀?jìng)賽中起著較重要的參考作用 . 5) 獨(dú)立研發(fā)出全新的實(shí)驗(yàn)儀器單元 小型 光柵單色儀, 突顯了題目的新穎性. 為此命題者 從構(gòu)思到定型均投入大量的時(shí)間和精力 . 該實(shí)驗(yàn) 儀器單元能夠做到“平賽訓(xùn)三用” , 以避免浪費(fèi). 除作為好的競(jìng)賽題目外 ,還可成為具有研究性的 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)題目. 在實(shí)驗(yàn)中可加入新的研究?jī)?nèi) 容,如 : 光柵單色儀校準(zhǔn)曲線的測(cè)定 ; 通過坐標(biāo)變 換,將色散關(guān)系曲線用直線表述出來,進(jìn)而通過作 圖法得到玻璃材料的特征常量 C1和 C2; 此外 ,還 可利用計(jì)算器的線性回歸功能來擬合特征常量, 再與作圖法相比, 探討它們之間的實(shí)驗(yàn)誤差不同 的原因, 并設(shè)法減少誤差等 . 該部分內(nèi)容正在大 學(xué)二年級(jí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施, 深受學(xué)生們的歡迎. 3. 5 考試結(jié)果及其評(píng)析 實(shí)驗(yàn)考試于 2009 年 11 月 1 日全天( 從上午 7: 00 到晚上 21: 00) 分 4 批次進(jìn)行 . 對(duì)于實(shí)驗(yàn)過 程,筆者主要擔(dān)心的有幾件事情: 自制的小型光柵 單色儀的物理性能是否非常穩(wěn)定? 玻璃樣品是否 會(huì)被學(xué)生不小心打碎? 發(fā)光光源中 LED 是否會(huì) 因長(zhǎng)時(shí)間的通電而使其發(fā)光強(qiáng)度明顯地下降 ? 考 生是否會(huì)因沒有注意到試題中的“具體說明”而對(duì) 測(cè)角儀( 分光計(jì)) 中已經(jīng)調(diào)節(jié)好的相關(guān)部件 ,再進(jìn) 行大范圍的重新調(diào)整 ? 因?yàn)檫@ 4 種情況都是參賽 學(xué)生初次接觸該實(shí)驗(yàn)時(shí)有可能出現(xiàn)的 , 所以筆者 在試卷中特別強(qiáng)調(diào)要考生小心注意這些問題, 并 且對(duì)監(jiān)考教師進(jìn)行了反復(fù)交代. 結(jié)果 , 除了個(gè)別 幾例對(duì)測(cè)角儀進(jìn)行了較多的調(diào)節(jié)外, 上述其他情 況均沒有發(fā)生, 這是我們感到非常欣慰的. 這說 明: 命題組成員前期在相關(guān)部件的研發(fā)過程中的 所有考慮 ,以及進(jìn)入零部件的組裝和調(diào)試階段的 工作均非常到位, 后期在考試現(xiàn)場(chǎng)中對(duì)已進(jìn)場(chǎng)的 實(shí)驗(yàn)儀器準(zhǔn)備工作的維護(hù)也非常周全 , 可算達(dá)到 了“萬無一失”的最高要求 . 中學(xué)生物理競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)考試已經(jīng)結(jié)束 . 經(jīng)過 監(jiān)考和閱卷評(píng)分后, 我們對(duì) 280 名考生以及各省 的考試情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì), 通過具體的統(tǒng)計(jì)分析,筆 者可以得出以下 4點(diǎn)結(jié)論 : 1) 以試題 -1 為例, 比賽前 , 筆者曾對(duì)該實(shí) 驗(yàn)題目做了較大程度的更改和增刪, 事實(shí)證明這 些做法是必要的 . 因?yàn)樵摗皢栴}”中的部分要求是 帶有提示性的, 基本上是讓參賽學(xué)生在做“填空 題” ,目的是為了“送分”給參賽學(xué)生 . 統(tǒng)計(jì)的結(jié)果 顯示 ,該題的平均成績(jī)高達(dá) 19. 2 分 ,其分?jǐn)?shù)段的 分布情況如圖 8 所示( 直方圖中的曲線是利用原 始數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差生成的正態(tài)分布曲線. 后面圖中的曲線與此一致) ,完全達(dá)到了出題的目 的. 但是, 仍有部分學(xué)生對(duì)這一問題的回答并不 24 物 理 實(shí) 驗(yàn)第 30 卷 完全令人滿意 . 盡管有近一半( 15 個(gè)) 省( 市) 的 分省平均分在 20 分以上( 滿分為 25 分) ,但是 ,分 省平均分低于 15 分( 及格線) 的仍有 6 個(gè)省( 市) ( 其中 3 個(gè)省市的平均分低于 5 分) 之多 . 由此可 見: 國(guó)內(nèi)各省( 市) 代表隊(duì)的物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)水平 差距還是相當(dāng)大的. 盡管采取了降低難度的措 施,出現(xiàn)了 36 名學(xué)生得到滿分的成績(jī), 但仍有不 少考生不知如何下手做, 甚至有 6 人在本題未得 分. 因此 ,如果不降低難度, 雖然好的考生仍可以 得到高分 ,但得 0 分的考生也必然會(huì)增加,非常不 利于“激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣和主動(dòng)性”的宗旨. 這是今后我們?cè)诟?jìng)賽命題時(shí)需要特別注意的 . 圖 8 實(shí)驗(yàn)試題-1 分?jǐn)?shù)段直方統(tǒng)計(jì)圖 2) 測(cè)定光學(xué)玻璃材料的色散曲線( 試題 -2) 是本試題的主要部分 , 是真正用來考核參賽學(xué)生 水平的. 這部分的人均平均得分為 17 . 9 分( 滿分 為 50 分) ,得分在 0 . 5 分以下的有 48 人, 得分在 45. 0 分以上的僅有 11 人 . 考得較好的 6 個(gè)省 ( 市) 代表隊(duì)的分省平均成績(jī)分別為: 29. 7 分, 27. 5分 ,27 . 4 分,26. 1 分 ,24. 9 分和 24. 3 分; 且達(dá)到 上述人均平均分的省( 市) 有 14 個(gè)之多 . 分省平 均分低于 10 分的省( 市) 有 7 個(gè),其中考得最差代 表隊(duì)的分省平均分僅為 1 分( 涉及 2 個(gè)省市) . 可 見這道試題能夠真正把高水平的考生篩選出來 ( 其分?jǐn)?shù)段的分布情況圖 9 所示) . 圖 9 實(shí)驗(yàn)試題-2 分?jǐn)?shù)段直方統(tǒng)計(jì)圖 3) 利用自己所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值 , 繪出所求 光學(xué)玻璃材料的角色散率與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線是本 試題的第 3 部分( 試題 -3) ,這是用來進(jìn)一步考 核參賽學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的熟練程度的 . 它的主 要要求是在上述第二部分實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ) 上,以中心波長(zhǎng) 為橫坐標(biāo) , 角色散率 / 為 縱坐標(biāo),在坐標(biāo)紙上繪出 / - 關(guān)系曲線. 令 筆者感到吃驚的是( 如圖 10所示) : 這一部分的人 均平均分僅為 1. 3 分( 滿分 25 分) . 在 31 個(gè)省 ( 市) 中,分省平均分高于 3 . 0 分僅有 3 個(gè) ,在 2. 0 2. 9分之間和 1. 0 1. 9 分之間的省( 市) 均為 5 個(gè),在 0 . 1 0. 9 分之間的則有 7 個(gè) ,剩余 11 個(gè)省 ( 市) 的平均分均為 0 分. 筆者雖不能斷言本實(shí)驗(yàn) 問題對(duì)這屆競(jìng)賽進(jìn)一步遴選出優(yōu)秀學(xué)生有一定的 促進(jìn)作用 ,但是至少可以認(rèn)為在甄別優(yōu)秀學(xué)生的 過程中有積極的意義 . 圖 10 實(shí)驗(yàn)試題-3分?jǐn)?shù)段直方統(tǒng)計(jì)圖 4) 本實(shí)驗(yàn)試題的人均總分平均為 38. 3 分( 滿 分 100 分) . 其中, 高于 80 分的有 3 人( 最高分為 92. 5 分) ,處于 70 79 分之間的有 14 人, 60 69 分的有 28 人 ,50 59 分的有 30 人( 該題整體的 分?jǐn)?shù)分布情況見圖 11) . 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明 : 滿足及格 線 60 分的人數(shù)高達(dá) 45 人( 占 16. 1 %, 非常接近 圖 11 實(shí)驗(yàn)試題總分直方統(tǒng)計(jì)圖 一等獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)比例) ,而高于 35 分( 接近上述平均 分) 的人數(shù)為153人( 占54 . 6 %). 同時(shí) , 由圖11 25第 4 期 陳元杰, 等: 第 26 屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽( 決賽) 實(shí)驗(yàn)試題的解答與考試評(píng)析( 續(xù)) 中的直方圖可知, 在所有參賽學(xué)生的考試分?jǐn)?shù)的 分布區(qū)間內(nèi) ,他( 她) 們的考試成績(jī)是完全符合正 態(tài)分布的 ,這進(jìn)一步從總體上佐證了筆者的上述 認(rèn)識(shí) : 實(shí)驗(yàn)試題 能夠真正地將高水平的考生篩 選出來. 從上述的得分情況來看 , 國(guó)內(nèi)東部省( 市) 或 經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)區(qū)域的優(yōu)勢(shì)還是非常明顯的 ,特別是 該實(shí)驗(yàn)試題總分的前 10 名中 ,就有 7 名均由上述 省市的選手獲得 . 這些選手物理概念清楚, 思路 敏捷 ,實(shí)驗(yàn)操作能力較強(qiáng). 總的來說, 是比較滿意 的. 但從本試題的整體回答情況看 , 國(guó)內(nèi)在實(shí)驗(yàn) 教學(xué)方面還是存在如下問題, 值得引以為戒. 1) 不少考生由于對(duì)基本的實(shí)驗(yàn)技能掌握不夠 扎實(shí) , 或?qū)嶒?yàn)操作不規(guī)范造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的失分. 引起這種現(xiàn)象的原因相信是與指導(dǎo)教師在指導(dǎo)學(xué) 生做實(shí)驗(yàn)時(shí)只注重完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 不重視實(shí)驗(yàn)過 程有關(guān). 不少參賽學(xué)生片面認(rèn)為, 實(shí)驗(yàn)只要做過 一次就可以了 ,不重視反復(fù)練習(xí). 事實(shí)上 ,物理實(shí) 驗(yàn)說到底就是一門對(duì)技能要求極高的基礎(chǔ)課程, 尤其是像物理競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)考試這種選拔式的考試, 提供給考生的時(shí)間較短, 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多 ,進(jìn)而導(dǎo)致 題目的難度較大或有一定的坡( 梯) 度 , 需參賽學(xué) 生在較短的時(shí)間內(nèi)能迅速 、 熟練地完成各種規(guī)定 的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 因此 , 考生只有平時(shí)對(duì)基本操作反 復(fù)練習(xí), 對(duì)基本元件反復(fù)使用 ,才能熟能生巧 、 運(yùn) 用自如. 2) 缺乏參賽經(jīng)驗(yàn)也是造成大多數(shù)考生失分較 多的直接原因 . 不少考生答卷時(shí)沒有作通盤考 慮,時(shí)間分配不夠合理 ,審題不全面和不仔細(xì). 如 本試題中僅是尋找“經(jīng)平面鏡反射回望遠(yuǎn)鏡中的 十字線”這一項(xiàng)操作就有可能花去整段時(shí)間, 以至 其他內(nèi)容無法完成( 實(shí)際上, 題中已說明 : 該部分 是不要求學(xué)生調(diào)節(jié)的) . 還有的考生沒有搞清楚 實(shí)驗(yàn)練習(xí)與競(jìng)賽的區(qū)別, 也不懂得“丟卒保車”的 策略 ,在實(shí)驗(yàn)考試時(shí) ,總是慢條斯理, 對(duì)每一個(gè)數(shù) 據(jù)或調(diào)節(jié)過程均“精益求精”而不作輕重緩急的取 舍,如 : 本題中因精確調(diào)節(jié)“望遠(yuǎn)鏡的光軸與儀器 轉(zhuǎn)軸垂直”和測(cè)量“最小偏向角”的角度等而浪費(fèi) 了不少本該可以節(jié)約的時(shí)間, 這也反映出這部分 考生理論嚴(yán)重脫離實(shí)際, 只懂得實(shí)驗(yàn)原理. 但具 體實(shí)施時(shí) , 就不懂得哪些是主要的 , 哪些是次要 的; 也不懂得主要誤差是來自哪個(gè)環(huán)節(jié) ; 以至于在 各步測(cè)量時(shí)抓不住要點(diǎn)( 本試題著重要求確定色 散曲線和角色散率的變化趨勢(shì)) . 3) 數(shù)據(jù)處理方面也存在一些問題, 如有效數(shù) 字、作圖規(guī)則等. 不少學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效數(shù)字 不按不確定度來寫, 或太多 、 或太少 ; 作圖不規(guī)范 的學(xué)生更多 , 有的不寫坐標(biāo)軸名、單位, 有的標(biāo)度 不等間隔 ,有的標(biāo)度值將所有的有效數(shù)字都寫上 去,有的數(shù)據(jù)點(diǎn)的符號(hào)就只點(diǎn) 1 個(gè)點(diǎn),有的圖上沒 有寫實(shí)驗(yàn)名稱 、 圖名等 , 各自為政 ,不一而足 . 這 些都需要在今后的訓(xùn)練中加以注意 . 4 對(duì)策與小結(jié) 本屆物理競(jìng)賽決賽的 280 名考生是從全國(guó)各 地參加初賽和復(fù)賽的幾十萬名優(yōu)秀的高中生中選 拔出來的, 應(yīng)該說是優(yōu)中選優(yōu) . 盡管該物理實(shí)驗(yàn) 試題整體的難度系數(shù)不算太高, 但考生的考試成 績(jī)卻不太理想 ,這種現(xiàn)象確實(shí)令人十分擔(dān)憂 ,必須 引起廣大物理教學(xué)工作者的認(rèn)真關(guān)注. 物理競(jìng)賽是物理教學(xué)中培養(yǎng)和發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀學(xué)生 的一條重要途徑, 也是從一個(gè)側(cè)面評(píng)價(jià)各省( 市) 物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一 . 筆者認(rèn) 為,各級(jí)學(xué)校今后在物理教學(xué)過程中,應(yīng)切實(shí)做好 以下幾個(gè)方面的工作 : 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué) ,培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真、踏實(shí)的學(xué)風(fēng). 要充分地認(rèn)識(shí)到: 物理實(shí)驗(yàn)課程是一門技能課,對(duì) 技能的培養(yǎng)不是一蹴而就 、 只花一天半日就可完 成的 ,必須經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的嚴(yán)格訓(xùn)練. 所以物理實(shí) 驗(yàn)教學(xué)必須從初中學(xué)生抓起, 并注重培養(yǎng)學(xué)生認(rèn) 真、 踏實(shí)的學(xué)風(fēng). 特別是對(duì)一些看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn), 一定要教育他們養(yǎng)成全面分析的良好習(xí)慣 . 如實(shí) 驗(yàn)報(bào)告的書寫一定要規(guī)范 . 在本次實(shí)驗(yàn)考試中, 我們就發(fā)現(xiàn)不少考生因數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理 、 不確 定度的表述及公式表達(dá)上的不規(guī)范而造成失分. 重視實(shí)驗(yàn)基本功的訓(xùn)練, 培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本 操作能力. 物理實(shí)驗(yàn)基本功是指實(shí)驗(yàn)的基本理 論、 基本方法和基本操作技能 ,良好的實(shí)驗(yàn)基本功 是參賽考生取得競(jìng)賽好成績(jī)和中學(xué)生今后持續(xù)發(fā) 展的基礎(chǔ) . 應(yīng)該讓中學(xué)生認(rèn)真地做好每一個(gè)物理 實(shí)驗(yàn) ,通過這些實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)和規(guī)范學(xué)生的基本實(shí) 驗(yàn)操作能力, 提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能技巧. 可能有 教師認(rèn)為通常的中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和難度與競(jìng) 賽實(shí)驗(yàn)相差太大, 對(duì)競(jìng)賽幫助不大 . 但須知, 千里 之行始于足下 ,扎實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)基本功訓(xùn)練和培 養(yǎng)是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ幕A(chǔ) ,正所謂集腋成裘. 26 物 理 實(shí) 驗(yàn)第 30 卷 否則 ,在競(jìng)賽中取得好成績(jī)便如無源之水、 無本之 木,當(dāng)然也與舉辦競(jìng)賽的目的背道而馳 . 因此 ,一 定要加強(qiáng)學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練. 若有條件, 該學(xué) 生做的實(shí)驗(yàn), 盡量讓他們?nèi)プ? 且可重復(fù)著做. 做 完實(shí)驗(yàn)后一定要讓學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)中存在的不足, 并在下一次實(shí)驗(yàn)時(shí)加以改進(jìn). 此外 , 適量開展一 些課外活動(dòng),對(duì)開闊學(xué)生的視野,提高分析能力會(huì) 有很好的效果. 模擬實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽, 提高學(xué)生的應(yīng)變能力 . 實(shí)驗(yàn) 操作動(dòng)手能力除了平時(shí)培養(yǎng)和提高外 , 模擬實(shí)驗(yàn) 競(jìng)賽無疑也是一種很好的方法. 指導(dǎo)教師應(yīng)在統(tǒng) 籌全局的前提下 ,有針對(duì)性地指導(dǎo)學(xué)生 ,使學(xué)生在 不同的階段得到各種能力的培養(yǎng)和提高 . 通過模 擬實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的環(huán)境, 使學(xué)生熟悉競(jìng)賽規(guī)則,做到心 中有數(shù),臨場(chǎng)不慌不亂. 總之 ,學(xué)生實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽能力的提高是一個(gè)循序 漸進(jìn)的過程 . 除了相關(guān)部門的硬件投入和支持 外,還需要各級(jí)學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和指導(dǎo)教師的高度重視, 采取針對(duì)性的措施 , 使學(xué)生在不同的階段得到各 種能力的培養(yǎng), 進(jìn)而達(dá)到提高中學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng) 賽水平的目標(biāo). 致謝 : 作者分別與北京大學(xué)物理學(xué)院呂斯驊 教授 、 復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系蔣平教授和沈元華教授 進(jìn)行了多次有益和深入的討論, 在此一并表示感 謝! 同時(shí) ,感謝復(fù)旦大學(xué)物理系馬秀芳 、 楊敏和范 偉民老師在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程中提供的幫助 . 參考文獻(xiàn): 1 呂斯驊.全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 M .北 京: 北京大學(xué)出版社, 2006. 2 鄭永令.亞洲物理奧林匹克試題與解答( 第 1 8 屆) M . 上海: 華東師范大學(xué)出版社, 2009. 3 呂斯驊, 段家忯. 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn) M .北京: 北京大 學(xué)出版社, 2002. 4 賈玉潤(rùn), 王公治, 凌佩玲.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) M .上 海: 復(fù)旦大學(xué)出版社, 1987. 5 沈元華, 陸申龍. 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn) M .北京: 高等教 育出版社, 2003. 6 全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽委員會(huì)辦公室.全國(guó)中學(xué)生物 理競(jìng)賽專輯 2008 M . 北京: 北京大學(xué)出版社, 2008. 7 全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽委員會(huì)辦公室.全國(guó)中學(xué)生物 理競(jìng)賽專輯 2009 M . 北京: 北京大學(xué)出版社, 2009. 8 葉衛(wèi)平, 方安平, 于本方.Origin 7. 5 科技繪圖及數(shù) 據(jù)分析 M .北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006. 9 中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所統(tǒng)計(jì)組.常用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法 M .北京: 科學(xué)出版社, 1973. 10 馬秀芳, 沈元華.第八屆亞洲物理奧林匹克競(jìng)賽中 實(shí)驗(yàn)考題的分析 J .物理實(shí)驗(yàn), 2007, 27( 12): 29- 33. 11 荀坤, 王若鵬, 陳曉林. 第 39 屆國(guó)際物理奧林匹克 競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)題介紹 J .物理實(shí)驗(yàn), 2008, 28( 12) : 21. 12 羅質(zhì)華, 李保俊.第二十屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽 ( 廣東賽區(qū)) 實(shí)驗(yàn)試題解答與啟示 J .中