A1 部分要求选手搭建并调节实验光路,测量光路的基本信息。A1 问涉及到搭建实验光路,为提高后续实验测量的准确性,这里对于调节精度有较高要求。在仿真软件中,选手需要先确定各元件的相对方位和大概位置,然后不断微调各个元件的位置,才能搭建出完整准确的光路,对选手的耐心和临场反应能力有较高要求。图1为光路图。
A2 问需要测量悬臂梁逐渐稳定下来的过程,看似没有技术含量,实则要求选手基本将平衡位置调节至0 点附近,在现场作答中,不少选手为了追求速度,没有仔细调节,导致后面连环失分。表1 为时间3 s~120 s(测量间隔为3 s)的位置数据。
A3 问是对A2 问进行数据处理,见表2。如果A2 问达到了实验要求的调节精度,那么A3 问则较为轻松。
B问要求选手给悬臂梁“定标”,而定标是实验物理学中的常见手段。拿到一个状态未知的实验器材,如何利用手边已有的材料参数,通过相对简单的实验快速测量判断实验器材的状态和参数,很能考察选手临场的判断能力和反应速度。具体到B问中,题目给了相对详细的引导,并提供了理式,因此选手只需用线性递增的力的大小进行多次测量,记录实验数据即可,最终可以得到杨氏模量。
由于我国选手普遍对线性拟合非常熟悉,本部分难点不在B2 问和B3 问的数据处理,而是B1 问中是否将Δd 控制在了相对较小的数值。如果Δd 偏大,会造成后续测量中偏转大小超过仪器量程,从而无法测得足量数据。不少考生在考场上误以为是仪器自身量程太小导致数据量不足,从而造成大量失分。
C部分中要求选手处理双层悬臂梁,通过已知的一种材料的杨氏模量,求解未知材料的杨氏模量。C部分在实验上的测量和数据处理方式与B部分完全相同,并且试题同样提供了理式,因此选手做完B部分以后,应当可以以相同方法迅速完成C部分,本部分关键点仍在于是否将Δd 控制在了相对较小的数值。
D部分中要求选手通过类似方法求解出已知材料的表面分子覆盖率。D1 问和D2 问在实验上的测量和数据处理方式同样与B部分相同,但不同的是D3 问和D4 问考察了线性插值法,要求选手根据覆盖率为0%和1%的样品,测定出覆盖率在0%到1%的其余两种样品的表面分子覆盖率。选手在操作时,按照B部分的注意事项调节即能取得较好效果。
本题分为A、B、C、D四个部分。总的来说,一旦A部分调节精确后,B、C、D问在思维难度和精度要求上都不高,但后三问层层递进,给选手展现了现代物理学测定材料性质的一种有效方式。由于本题模型新颖,不但可以考察选手的物理素养和情景阅读能力,还有利于激发选手的对物理实验的兴趣,且对调节精度要求较高,具有相当的区分度。
吴国祯教授:我的国外研究生经历印象——应清华大学物理系“基科班20年·学堂班10年纪念活动”而写
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