干货| 物理竞赛实验培训总论

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物理竞赛实验就要开始了,学物理竞赛的同学们来说下面这些是必须要了解的。

准备实验考试的方法,基本步骤

掌握涉及到的理论知识,并能够熟练运用,例如:光的干涉与衍射、光栅成像公式,交流电路的计算与谐振,几何光学成像公式,直流电路的基本计算方法等等。有时需要自己对实验所需要的公式推导,这就要用到比上述知识更多的知识,但是与相比于竞赛的理论题目,其理解题目、寻找解法的复杂性普遍降低,而计算的复杂性,或者说与实际情况相结合的复杂性往往增加,这是实验考试的一个难点所在,而且容易发现,考试的级别越高,其难度体现的越大;比如在各次的决赛与国际比赛中,就要求推导过开尔文电桥(直流电路),内部含有水的圆柱体的转动惯量(刚体问题),正方形线圈在轴线上一点的磁场强度(毕奥萨伐尔公式),交变磁场对有自感有内阻的线圈的作用力(交流电,电磁感应),互感电路的损耗(交流电路)等等。总而言之,如果只将复赛实验指定的实验反复练习而不去关注其他各个方面的知识,用以应对一部分省份的复赛实验一般没有问题,因为这些省份考的题目主要是既定的,没有过多变化的题目,其难度体现在了实验报告的书写与操作的细致上;但若是应对北京的复赛实验或者全国的决赛,所关注的要点就应该在试验涉及到的而平时理论考试中不经常涉及的内容有所侧重,这个将在后面讲到。

学习实验指导的教材,其中最基本的一本是实验指导书,这本书作为指导复赛实验使用,用来指定范围,勾画重点有一定作用,也是初次接触实验考试的同学的入门用书,但由于其内容有些不易于理解,例如讲解不确定度的那一个部分,是将规范的不确定度计算方法有所简化而编程的,这就会对后续的考试的准备带来影响;同时,这本书上面的实验方法,或实验步骤,比如双棱镜干涉部分,或是讲解分光计的调试过程,还是有欠详尽,对于实验的设计性的强调几乎没有。但还是不得不强调,这本书的实验以及操作的一些方法还是基础中的基础。

用来提高的书,如果想在复赛决赛中实验考试取得好成绩,还是应该认真阅读的。这里推荐两本,一本是物理竞赛实验教程,这本书是青一平老师的,青一平老师现在还在湖南教实验,据上过他的实验课的同学所说,他可以用几个实验就看出一个学生最后取得怎样的成绩,这一点如果仔细研究过他的实验教材就能有所了解。这本实验书的最前面介绍了基本的实验仪器的使用,有些没有机会亲自练习的仪器就只能从书上略知一二,比如北京的同学基本上没有见到过焦利称长得是一个什么样子,如果在书上看到过了,真正考试时碰到了,也基本能学会使用,不至于手忙脚乱。后面的实验的编排分为两部分,一部分基本的实验方法,这部分尤为重要,是实验准备中用于打基础的阶段,既熟悉了仪器的使用方法,也可以发现后面的设计实验其实就是这些基本方法的应用,拓展,延伸,因此最为要紧,最不能忽视。后面的设计实验可用来开阔思路,或者自己看着要求与所提供的器材设计出实验解法来,再与书上提供的解答相比较,从中得到提高。要说明的一点是:书上实验以直流电为最多,而最近实验考试有淡化直流电这一部分的趋势,大概是直流电可考察的内容不多,难以考察学生实验技能所致。但是其实直流电真正的实验方法有很多,而解决某个给定实验器材,达到特定要求的实验方法又相对很少,这就要求学生能够在广博的了解电路设计方法之后还能够综合分析运用,取最优化的方法。因此这对于实验的技能是一个很好的练习,对直流电的部分不能忽视。

另外的一本书是奥林匹克物理竞赛设计实验解题荟萃,这本书相比前面那本书从范围上来讲,更广阔的涵盖了当今物理竞赛所考察的内容,知识面,尽管它的编写时间有些久远,从难度上来讲,这里主要是指设计实验的难度,又略有提高,书中的每一个实验都有一个以上的解答方法,并且每一个解答方法都有对应的要点,注意事项与详尽的数据记录公式表达和不确定度的估计,可以作为真正实验考试时写实验报告的范本。唯一不足之处,是书中一定数量的实验仪器比较特殊,不便于真正操作,这时便只能凭借在头脑中设计来完成。如果能够充分掌握这两本本书中的内容,从理论这个角度来说,已经足以应对复赛决赛甚至国家队的选拔。当然实验还不仅仅是一个理论上的功夫,更主要的是实验操作和数据处理。

对实验操作,数据处理的练习以及一些需要注意的地方。有这么几个要点:

○学会从一个实验方法一个实验仪器的操作中总结出普遍的规律,获得普适的方法,这可以起到以同样数量的努力获得更多的收获的效果,物理竞赛实验上的知识,很大一部分都可以用一些要点一以贯之,这不仅能理清知识结构,还能够省去单独记忆各个实验方法的时间,比如光具座会调一维的就能会调二维的,会调两个自由度的就能会调三个自由度的知道一个自由度的解决不了怎么面对,会调光具座了就能会调升降平台加橡皮泥的,而不是单单书上怎么说便怎么做,便只会怎么做;

○不要过度注重得出最后结果而少了对实验方法的思考,不要过度思考实验原理而忽略了操作过程的练习,这两个状况都有所偏颇,而又是准备实验中常常容易犯的,前者切近于细枝末节,后者好高骛远,而实验是任何一个环节都应该重视都不能忽略的;○不要把理论与真正的实验等同起来,一个实验做到一半就觉得我会做了,后面的步骤也就是这么一回事,而直接跳过,这种想法很有害,就好像理论题目一样,做完一道题和看着一道题觉得会做是不一样的,即使最简单的伏安法测电阻都是如此,实验只有亲自动手做了才能发现其中的问题,掌握教材上学不到的技巧,这种技巧叫做经验,也是决定两个实验水平看似不相上下的人最终成绩的关键(还有另一个关键因素是心态,或者说心理素质,后续讲到);

○不要刻意追求实验结果的精确,但也不能忽视实验条件的保证,因为各种原因结果不可能达到准确,追求没有必要的准确只会浪费时间,而实验条件是影响结果至关重要的环节,比如共轴,平行,无摩擦,这些问题看似平平淡淡,实则影响深远,省去了调共轴的短短几分钟的时间,而用几十分钟的时间多次测量以便得到准确的结果,却从一开始就是错的;

○注意细节的积累,要关注哪些要素是影响实验能否做好的关键,什么样的调整方法可以节省时间,电表的内阻、金属丝的杨氏模量、三棱镜的折射率大致是怎么样的数值,计算方法怎么样更简便,处理数据如何更有效,知道导线断了、电表电阻箱烧了都是什么样子,等等;

○通过反复的练习最终熟能生巧,任何一个实验仅仅练习一遍是远远不够的,加上考试时仪器、题目、环境略有变化,心情略有紧张,便不能按原先预想的情况做,而时间也是很紧张的,所以考试时的时间不是用来再去研究一下仪器怎么使的,而是用来思考如何解决这个问题的,一切可以用来节省的时间都应该花在考试之前,而熟练操作各种仪器就是最有效的方法,即使考试前用去了一天的时间,考场上能节省十分钟,也是值得的,不能算作浪费,同时熟练使用仪器能够用来面对各种复杂的突发的情况,继而找到最佳的处理办法;

○把每一次的练习当作考试,既要严格限制时间,还要按照考试的过程来,应该自己设计的电路不要照着书上的解答来连接,黑盒子不想测了不要直接把盖子打开看一下,因为就算现在能看,考试的时候是看不到的。

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