物理实验竞赛试题选讲

物理实验竞赛试题选讲（一）劳五一高永昌（河北师范大学物理系050016）编者按：全国中学生物理竞赛是一项选拔物理学习尖子的活动．试题水平历来显著超出高中物理教学和高考水平，因此一般认为高中物理竞赛试题很难直接引入中学物理教学，但是物理实验竞赛的命题思路却可以给传统的中学物理实验教学改革以很多启示．河北师范大学劳五一、高永昌两位老师长期承担河北赛区实验命题，并参与全国中学生物理河北赛区的竞赛组织工作，实践中积累了丰富的资料和经验．为此本刊决定开设“物理实验竞赛”专题，首先发表他们提供的材料，也欢迎其他省市的有关同志为本题撰稿。全国中学生物理竞赛是广大中学生和中学物理教师们关注的重要赛事。物理竞赛活动作为正常物理教学的重要补充，具有鲜明的特点和重要的教育价值。笔者多年从事物理竞赛实验考试的命题。评卷和培训工作，看到中学生的实验能力与理论能力相比差距很大。作为中学生而言，不论将来是否从事物理专业，它们的实验能力都不应该是现在的水平。知识经济的时代正在向我们走来，学校教育在教学活动中应着力发展学生的创造力。物理教学中，注意发展学生的实验能力，对学生创造力的发展将会产生良好的影响。我们认为，物理竞赛中的许多实验题目特点鲜明，要求学生灵活地应用所学知识去独立地解决真实的问题，引导学生去做一做，只要引导得法，不论是提高竞赛能力还是发展创造思维水平都是很有价值的。在此我们选编了一些物理竞赛实验题目，并做了一些必要的分析说明和解答，供读者参考。1确定双股电缆漏电处位置现有铺设在地下的双股电缆一千米，已知线间某处漏电，请用给定器材确定漏电处的位置．[仪器]电缆模拟物一个（参数与实物相同）、漆包线一段（每段电缆与漆包线芯相同）、游标卡尺、直流电源、数字电压表（可由数字多用表的电压档代替）、电阻箱、开关、漆包线参数一览表。[分析]这是一个由实际问题简化模拟而来的题目。题目意图十分明显，是让学生体会科学知识在解决实际问题时的作用。要求学生利用题目中所给的仪器和资料条件，设计一个实验方法，确定出双股电缆漏电处的位置。若将电缆两端的连接物断开，就可设计两个参数不同的类似电路如图1所示，从而获得两个可以联立的方程组，数字电压表的内阻在本题中可视为无穷大，因此在电路中可以直接测出漏电电阻上的电压。［解答］设距左端X处漏电电阻为R，按图1分别连接电路并记录只h，由电阻定律和闭合电路欧姆定律有RVXSRrE12（1）RVXLSRrE2)(2（2）解上两式得SVVVVSEVELSVErVVX212112214)(2)(2)(（3）（3）式中L为双股电缆总长度，S为单股标识面积，S可由查表获得，E由数字电压表直接读出，测量r电路如图2所示。///RVRrE（4）///)(VRVEr（5）将S和（5）式代入（3）式，即可求出结果。2测定平行平晶对633nm激光的折射率[仪器]平行平晶（或玻璃砖）一个、氦—氖激光器一台、方格纸屏（带支架）、钢卷尺、金属尖、升降台．[要求]画出光路图，推导测量公式，简述实验步骤，计算测量结果．[注意]不要直视激光光束，以免损伤眼睛．[分析]平行平晶是一圆柱形光学玻璃器件，两端面为光学表面，互相平行．当激光束射向平行平晶第一端面时，将产生反射、折射，激光束在第一端面反射后和激光束经第一端面折射后经第二端面反射再经第一端面折射出的光束均射在方格屏上，两光点的距离可从方格屏上直接读出，而激光束是经用金属尖在方格屏上钻的小孔射入的，因此光源位置可知，然后按照光路图，即可算出折射率与可测量之间的关系。[解答]用金属尖在方格纸上靠近边缘的方格线交叉处扎一小孔，使激光束经小孔斜射到平行平晶端面靠近边缘处，激光束在入射点分为入射光和反射光，入射光经第二端面反射再经第一端面折射回空气中。光路如图3所示。iinsinsinH2Xarctani2tanHXih2xarctani2tanhxihxHXn2arctansin2arctansin用钢卷尺测量h．H，再在方格纸屏上直接读出x、X，代入上式即可算出结果．测量时注意使平晶截面与方格纸屏平行，测量x时尽量靠近平晶，以缩小光斑模糊带来的测量误差。多次测量求平均。