物理创新实验解题四部曲

施金福

摘   要：实验题是高考的必考题型，如何才能做好实验题？本文从实验原理出发提出解答实验题的四个基本步骤，作为解答实验问题的一种有效的途径。

关键词：物理实验;实验原理;四部曲;物理量;实验数据

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2015）9-0061-3

物理是一门以实验为基础的学科，物理实验是物理重要的组成部分。高考物理试题中也非常注重物理实验的考查，体现了试题具有鲜明的学科特征。近年来高考物理实验题发生了明显的变换，出现了创新设计性实验。这些实验试题设计新颖，立意深刻，要求学生能灵活运用已学的物理理论，试验方法和实验仪器去处理问题。纵观近几年的高考试题，实验试题考察的侧重点是对实验方案的理解，而不是真正意义上的单独设计性实验，多为教材实验方案的重新组合和变通。实验器材都是常见的，实验方案似曾相识。试题重视物理量关系的推导（实验原理的理解），重视结合图像分析论证体现了基本技能。

任何一个实验，都具有目的性（实验目标），实验的原理，需要测哪些数据，需要什么器材，数据如何处理才能达到实验的目的？其中，最为关键的是实验的原理，它是进行实验设计的根本依据和起点，它决定了实验中应当测量哪些物理量，需要什么器材，如何合理安排实验步骤和科学处理实验数据等。因此，解决创新设计性实验的关键就是确定实验原理。实验原理的确定需要根据实验的目的和题设给出的条件并通过回顾分组实验和演示实验来寻找能迁移应用的实验原理。或通过物理原理，寻找有关的物理规律，设法创设相关的物理情景，并根据已有的基本仪器测出需要测定的物理量。据此，笔者提出解答此类问题的四个步骤（四部曲）。

1.要做什么，也就是实验的目的。

2.怎么做，确定实验原理和实验所需的器材、方法、实验步骤。确定实验原理和相关物理量之间的关系是重点，如例2中建立a与△m之间的关系。

3.要读哪些数据，即需要测量数据或根据测量值还需要计算的数值，比如例题1中，刻度尺读数后还要计算伸长量，劲度系数和劲度系数的倒数都需要计算。

4.实验数据和目的之间的关系，一种是直接体现它们之间的关系，如例1中1/k和弹簧的圈数（长度）成正比;另一种间接体现，不能直接得出结论，如例2中根据图像的斜率和截距才能达到实验目的。以下3个例题说明四部曲解答实验的过程。

例1 （2014 全国卷2）23.（9分）某实验小组探究弹簧的劲度系数k与其长度（圈数）的关系。实验装置如图1所示。一均匀长弹簧竖直悬挂，7个指针P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分别固定在弹簧上距悬点0、10、20、30、40、50、60圈处。通过旁边竖直放置的刻度尺，可以读出指针的位置，P0指同0刻度。设弹簧下端未挂重物时，各指针的位置记为x0，挂有质量为0.100 kg的砝码时，各指针的位置记为x。测量结果及部分计算结果如表2所示（n为弹簧的圈数，取重力加速度为9.80 m/s2）。已知实验所用弹簧总圈数为60，整个弹簧的自由长度为11.88 cm。

（1）将表中数据补充完整：①       ，②       。

（2）以n为横坐标，1/k为纵坐标，在图2给出的坐标纸上画出1/k-n图像。

（3）图2中画出的直线可以近似认为通过原点，若从试验中所用的弹簧截取圈数为n的一段弹簧，该弹簧的劲度系数k与其圈数n的关系表达式为k=     N/m;该弹簧的劲度系数k与其自由长度l0（单位为m）的关系表达式为k=     N/m

根据题意，按四部曲的步骤：

1.要做什么：弹簧的劲度系数k和弹簧长度（圈数）的关系。

2.怎么做：实验原理——胡克定律。弹簧自然长度时，读出7个指针对应的刻度，分别代表了0、10、20、30、40、50、60圈原长，加挂一个0.100 kg的砝码，读出7个指针的读数，减去原长为即为10，20，30，30，40，60圈分别被拉伸的长度。根据胡克定律F=kx。可以计算出10，20，30，40，50，

60圈所对应的劲度系数。

3.要读哪些数据：圈数和对应的伸长量，砝码的重力（弹簧产生的弹力等于砝码的重力）。

4.实验数据和目的的关系：直接体现圈数和劲度系数倒数关系。

解答：（1）问是20圈弹簧对应的劲度系数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）描点，并用直线连接点

由图线可得其斜率为：

（0.0374-0.0061）/（60-10）=0.000572，

故直线满足1/k=0.000572n。

由于60匝弹簧总长度为11.88 cm;则n匝弹簧的长度为l0满足n/l0=60/0.1188。

代入1/k=0.000572n得：k=3.47/ l0。

例2   （2013年 山东卷24题）霍尔效应是电磁基本现象之一，近期我国科学家在该领域的实验研究上取得了突破性进展。如图4所示，在一矩形半导体薄片的P、Q间通入电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B。在M、N间出现电压UH，这个现象称为霍尔效应，UH称为霍尔电压，且满足UH=KIB/d，式中d为薄片的厚度，K为霍尔系数。某同学通过实验来测定该半导体薄片的霍尔系数。

①若该半导体材料是空穴（可视为带正电粒子）导电，电流与磁场方向如图4所示，该同学用电压表测量UH时，应将电压表的“+”接线柱与_________（填“M”或“N”）端通过导线相连。

②已知薄片厚度d=0.40 mm，该同学保持磁感应强度B=0.10 T不变，改变电流I的大小，测量相应的UH值，记录数据如表3所示。

根据表中数据在给定区域内画出UH-I图线，利用图线求出该材料的霍尔系数为

×10-3 V·m·A-1·T-1（保留2位有效数字）。

③该同学查阅资料发现，使半导体薄片中的电流反向再次测量，取两个方向测量的平均值，可以减小霍尔系数的测量误差。为此，该同学设计了如图6所示的测量电路，S1、S2均为单刀双掷开关，虚线框内为半导体薄片（未画出）。为使电流从Q端流入，P端流出，应将S1掷向_______（填“a”或“b”）， S2掷向_______（填“c”或“d”）。

为了保证测量安全，该同学改进了测量电路，将一合适的定值电阻串联在电路中。在保持其他连接不变的情况下，该定值电阻应串联在相邻器件____________和__________（填器件代号）之间。

依据题意，四部曲：

1.要做什么：测霍尔元件的霍尔系数。

2.怎么做：霍尔电压如何产生的？依据题意，正电荷移动的方向和电流方向一致，在磁场的作用下受到洛伦兹力发生偏转，偏向m端，m端电势高于n端，形成一个电势差即霍尔电压。根据霍尔电压公式UH=kIB/d，在磁场磁感应强度和元件厚度不变的条件下霍尔电压和流过元件的电流成正比，成一次函数关系，直线斜率k= KB/d。

3.读哪些数据：UH，I，B，d。

4.实验数据和结论：间接关系K=kd/B。

解：①根据左手定则得，正电荷向M端偏转，M端电势较高，所以应将电压表的“+”接线柱与M端通过导线相连。

②UH-I图线如图7所示。直线斜率k=0.375，K=kB/d

霍尔系数K=1.5×10-3 V·m·A-1·T-1。

③为使电流从Q端流入，P端流出，应将S1掷向b，S2掷向c，为了保护电路，定值电阻应串联在S1、E之间。

四步法解答实验创新问题，既可适用于力学实验，也适用于电学实验，其中确定实验原理是解答问题的关键。实验原理可以从实验目的中获得，也可以从所需实验数据和实验目的之间的物理关系来确定。根据实验原理建立对应的物理方程，物理量间的函数关系，从而顺利解答问题。综上所述，四部曲解答实验问题不失为一个有效的途径。

参考文献：

[1]尹明德.实验题的解答要领[J].中学生理科应试，2014（Z1）：44—48.

（栏目编辑    王柏庐）