施金福

摘 ? 要：實(shí)驗(yàn)題是高考的必考題型，如何才能做好實(shí)驗(yàn)題？本文從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)提出解答實(shí)驗(yàn)題的四個(gè)基本步驟，作為解答實(shí)驗(yàn)問題的一種有效的途徑。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)原理;四部曲;物理量;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2015）9-0061-3

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)是物理重要的組成部分。高考物理試題中也非常注重物理實(shí)驗(yàn)的考查，體現(xiàn)了試題具有鮮明的學(xué)科特征。近年來高考物理實(shí)驗(yàn)題發(fā)生了明顯的變換，出現(xiàn)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)試題設(shè)計(jì)新穎，立意深刻，要求學(xué)生能靈活運(yùn)用已學(xué)的物理理論，試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問題。縱觀近幾年的高考試題，實(shí)驗(yàn)試題考察的側(cè)重點(diǎn)是對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的理解，而不是真正意義上的單獨(dú)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，多為教材實(shí)驗(yàn)方案的重新組合和變通。實(shí)驗(yàn)器材都是常見的，實(shí)驗(yàn)方案似曾相識(shí)。試題重視物理量關(guān)系的推導(dǎo)（實(shí)驗(yàn)原理的理解），重視結(jié)合圖像分析論證體現(xiàn)了基本技能。

任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)，都具有目的性（實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)），實(shí)驗(yàn)的原理，需要測(cè)哪些數(shù)據(jù)，需要什么器材，數(shù)據(jù)如何處理才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的？其中，最為關(guān)鍵的是實(shí)驗(yàn)的原理，它是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)和起點(diǎn)，它決定了實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)測(cè)量哪些物理量，需要什么器材，如何合理安排實(shí)驗(yàn)步驟和科學(xué)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。因此，解決創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就是確定實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)原理的確定需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的和題設(shè)給出的條件并通過回顧分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)來尋找能遷移應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)原理。或通過物理原理，尋找有關(guān)的物理規(guī)律，設(shè)法創(chuàng)設(shè)相關(guān)的物理情景，并根據(jù)已有的基本儀器測(cè)出需要測(cè)定的物理量。據(jù)此，筆者提出解答此類問題的四個(gè)步驟（四部曲）。

1.要做什么，也就是實(shí)驗(yàn)的目的。

2.怎么做，確定實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)所需的器材、方法、實(shí)驗(yàn)步驟。確定實(shí)驗(yàn)原理和相關(guān)物理量之間的關(guān)系是重點(diǎn)，如例2中建立a與△m之間的關(guān)系。

3.要讀哪些數(shù)據(jù)，即需要測(cè)量數(shù)據(jù)或根據(jù)測(cè)量值還需要計(jì)算的數(shù)值，比如例題1中，刻度尺讀數(shù)后還要計(jì)算伸長(zhǎng)量，勁度系數(shù)和勁度系數(shù)的倒數(shù)都需要計(jì)算。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和目的之間的關(guān)系，一種是直接體現(xiàn)它們之間的關(guān)系，如例1中1/k和彈簧的圈數(shù)（長(zhǎng)度）成正比;另一種間接體現(xiàn)，不能直接得出結(jié)論，如例2中根據(jù)圖像的斜率和截距才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｒ韵?個(gè)例題說明四部曲解答實(shí)驗(yàn)的過程。

例1 （2014 全國(guó)卷2）23.（9分）某實(shí)驗(yàn)小組探究彈簧的勁度系數(shù)k與其長(zhǎng)度（圈數(shù)）的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。一均勻長(zhǎng)彈簧豎直懸掛，7個(gè)指針P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分別固定在彈簧上距懸點(diǎn)0、10、20、30、40、50、60圈處。通過旁邊豎直放置的刻度尺，可以讀出指針的位置，P0指同0刻度。設(shè)彈簧下端未掛重物時(shí)，各指針的位置記為x0，掛有質(zhì)量為0.100 kg的砝碼時(shí)，各指針的位置記為x。測(cè)量結(jié)果及部分計(jì)算結(jié)果如表2所示（n為彈簧的圈數(shù)，取重力加速度為9.80 m/s2）。已知實(shí)驗(yàn)所用彈簧總?cè)?shù)為60，整個(gè)彈簧的自由長(zhǎng)度為11.88 cm。

（1）將表中數(shù)據(jù)補(bǔ)充完整：① ? ? ? ，② ? ? ? 。

（2）以n為橫坐標(biāo)，1/k為縱坐標(biāo)，在圖2給出的坐標(biāo)紙上畫出1/k-n圖像。

（3）圖2中畫出的直線可以近似認(rèn)為通過原點(diǎn)，若從試驗(yàn)中所用的彈簧截取圈數(shù)為n的一段彈簧，該彈簧的勁度系數(shù)k與其圈數(shù)n的關(guān)系表達(dá)式為k= ? ? N/m;該彈簧的勁度系數(shù)k與其自由長(zhǎng)度l0（單位為m）的關(guān)系表達(dá)式為k= ? ? N/m

根據(jù)題意，按四部曲的步驟：

1.要做什么：彈簧的勁度系數(shù)k和彈簧長(zhǎng)度（圈數(shù)）的關(guān)系。

2.怎么做：實(shí)驗(yàn)原理——胡克定律。彈簧自然長(zhǎng)度時(shí)，讀出7個(gè)指針對(duì)應(yīng)的刻度，分別代表了0、10、20、30、40、50、60圈原長(zhǎng)，加掛一個(gè)0.100 kg的砝碼，讀出7個(gè)指針的讀數(shù)，減去原長(zhǎng)為即為10，20，30，30，40，60圈分別被拉伸的長(zhǎng)度。根據(jù)胡克定律F=kx?？梢杂?jì)算出10，20，30，40，50，

60圈所對(duì)應(yīng)的勁度系數(shù)。

3.要讀哪些數(shù)據(jù)：圈數(shù)和對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量，砝碼的重力（彈簧產(chǎn)生的彈力等于砝碼的重力）。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和目的的關(guān)系：直接體現(xiàn)圈數(shù)和勁度系數(shù)倒數(shù)關(guān)系。

解答：（1）問是20圈彈簧對(duì)應(yīng)的勁度系數(shù)k和1/k，k=mg/Δx=0.1×9.8 N/（5.26-4.06）×10-2 m=81.7 N/m，

1/k=1/81.7=0.0122 m/N。

（2）描點(diǎn)，并用直線連接點(diǎn)

由圖線可得其斜率為：

（0.0374-0.0061）/（60-10）=0.000572，

故直線滿足1/k=0.000572n。

由于60匝彈簧總長(zhǎng)度為11.88 cm;則n匝彈簧的長(zhǎng)度為l0滿足n/l0=60/0.1188。

代入1/k=0.000572n得：k=3.47/ l0。

例2 ? （2013年 山東卷24題）霍爾效應(yīng)是電磁基本現(xiàn)象之一，近期我國(guó)科學(xué)家在該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究上取得了突破性進(jìn)展。如圖4所示，在一矩形半導(dǎo)體薄片的P、Q間通入電流I，同時(shí)外加與薄片垂直的磁場(chǎng)B。在M、N間出現(xiàn)電壓UH，這個(gè)現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，UH稱為霍爾電壓，且滿足UH=KIB/d，式中d為薄片的厚度，K為霍爾系數(shù)。某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定該半導(dǎo)體薄片的霍爾系數(shù)。

①若該半導(dǎo)體材料是空穴（可視為帶正電粒子）導(dǎo)電，電流與磁場(chǎng)方向如圖4所示，該同學(xué)用電壓表測(cè)量UH時(shí)，應(yīng)將電壓表的“+”接線柱與_________（填“M”或“N”）端通過導(dǎo)線相連。

②已知薄片厚度d=0.40 mm，該同學(xué)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.10 T不變，改變電流I的大小，測(cè)量相應(yīng)的UH值，記錄數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)在給定區(qū)域內(nèi)畫出UH-I圖線，利用圖線求出該材料的霍爾系數(shù)為

×10-3 V·m·A-1·T-1（保留2位有效數(shù)字）。

③該同學(xué)查閱資料發(fā)現(xiàn)，使半導(dǎo)體薄片中的電流反向再次測(cè)量，取兩個(gè)方向測(cè)量的平均值，可以減小霍爾系數(shù)的測(cè)量誤差。為此，該同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖6所示的測(cè)量電路，S1、S2均為單刀雙擲開關(guān)，虛線框內(nèi)為半導(dǎo)體薄片（未畫出）。為使電流從Q端流入，P端流出，應(yīng)將S1擲向_______（填“a”或“b”）， S2擲向_______（填“c”或“d”）。

為了保證測(cè)量安全，該同學(xué)改進(jìn)了測(cè)量電路，將一合適的定值電阻串聯(lián)在電路中。在保持其他連接不變的情況下，該定值電阻應(yīng)串聯(lián)在相鄰器件____________和__________（填器件代號(hào)）之間。

依據(jù)題意，四部曲：

1.要做什么：測(cè)霍爾元件的霍爾系數(shù)。

2.怎么做：霍爾電壓如何產(chǎn)生的？依據(jù)題意，正電荷移動(dòng)的方向和電流方向一致，在磁場(chǎng)的作用下受到洛倫茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏向m端，m端電勢(shì)高于n端，形成一個(gè)電勢(shì)差即霍爾電壓。根據(jù)霍爾電壓公式UH=kIB/d，在磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和元件厚度不變的條件下霍爾電壓和流過元件的電流成正比，成一次函數(shù)關(guān)系，直線斜率k= KB/d。

3.讀哪些數(shù)據(jù)：UH，I，B，d。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論：間接關(guān)系K=kd/B。

解：①根據(jù)左手定則得，正電荷向M端偏轉(zhuǎn)，M端電勢(shì)較高，所以應(yīng)將電壓表的“+”接線柱與M端通過導(dǎo)線相連。

②UH-I圖線如圖7所示。直線斜率k=0.375，K=kB/d

霍爾系數(shù)K=1.5×10-3 V·m·A-1·T-1。

③為使電流從Q端流入，P端流出，應(yīng)將S1擲向b，S2擲向c，為了保護(hù)電路，定值電阻應(yīng)串聯(lián)在S1、E之間。

四步法解答實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新問題，既可適用于力學(xué)實(shí)驗(yàn)，也適用于電學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中確定實(shí)驗(yàn)原理是解答問題的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)原理可以從實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹蝎@得，也可以從所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹g的物理關(guān)系來確定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理建立對(duì)應(yīng)的物理方程，物理量間的函數(shù)關(guān)系，從而順利解答問題。綜上所述，四部曲解答實(shí)驗(yàn)問題不失為一個(gè)有效的途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹明德.實(shí)驗(yàn)題的解答要領(lǐng)[J].中學(xué)生理科應(yīng)試，2014（Z1）：44—48.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）