第35屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽決賽實(shí)驗(yàn)試題評(píng)析

王錦輝，楊文明，孫存英，王宇興，周 紅，劉嘉濱

(上海交通大學(xué) 物理與天文學(xué)院，上海 200240)

第35屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽決賽于2018年10月25日至11月1日在上海舉行. 此次決賽由中國(guó)物理學(xué)會(huì)全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽委員會(huì)主辦，上海市物理學(xué)會(huì)和上海交通大學(xué)以及上海中學(xué)聯(lián)合承辦. 上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院負(fù)責(zé)決賽實(shí)驗(yàn)試題命題、儀器采購(gòu)與調(diào)試、考場(chǎng)布置、監(jiān)考、閱卷及查分等系列工作. 為進(jìn)一步提升競(jìng)賽成績(jī)，激發(fā)學(xué)生參與競(jìng)賽的興趣，本文對(duì)此次競(jìng)賽的試題及考試結(jié)果進(jìn)行了評(píng)析.

1 實(shí)驗(yàn)試題1的解答與評(píng)析

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)試題1主要是測(cè)量光學(xué)玻璃材料的楊氏模量與折射率，分3部分：1)利用洛埃法測(cè)量半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)；2)利用單縫衍射法測(cè)定光學(xué)玻璃條的楊氏模量；3)測(cè)量厚光學(xué)玻璃片的折射率.

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

1)1.2 m長(zhǎng)導(dǎo)軌1根；

2)大一維位移光具座1個(gè)，小一維位移光具座2個(gè)，固定光具座1個(gè)，升降調(diào)節(jié)光具座1個(gè)；

3)半導(dǎo)體激光器及其電源各1臺(tái)(電源上有旋鈕，可調(diào)節(jié)激光光強(qiáng))；

4)白屏1塊；

5)干板架1個(gè)(支桿中心距干板架固定夾持面距離為3.13 mm)；

6)輔助透鏡(平凸透鏡)1個(gè)；

7)擴(kuò)束鏡1個(gè)(焦距4.5 mm)；

8)測(cè)微目鏡1個(gè)(分劃板離光具座中心距離為37.0 mm)；

9)質(zhì)量20.00 g槽碼12只，質(zhì)量20.00 g的槽碼托盤(pán)2只；

10)玻璃條支架1對(duì)；

11)方形薄不銹鋼片2片(邊緣基本平直，均可作為狹縫邊，其厚度為0.30 mm)；

12)厚光學(xué)玻璃1片；

13)白紙片2張(其中1張備用)；

14)細(xì)線2根(不考慮質(zhì)量，1根備用)；

15)窄雙面膠1卷；

16)長(zhǎng)光學(xué)玻璃條1片；

17)燒杯1只(盛有適量的水)；

18)游標(biāo)卡尺1把；

19)千分尺1把；

20)直尺1把；

21)照明用LED燈1盞(用充電寶供電，燈身開(kāi)關(guān)長(zhǎng)按為開(kāi)關(guān)控制，短按為5級(jí)亮度調(diào)節(jié)，充電寶上按鈕亦為電源開(kāi)關(guān)).

實(shí)驗(yàn)裝置考前初始化要求：在導(dǎo)軌上只有激光器和白屏，分別固定于固定光具座和大一維位移光具座. 其他光具座上均未放入任何元件. 其他實(shí)驗(yàn)器材除燒杯、直尺、千分尺、游標(biāo)卡尺和LED燈之外，均放入收納盒中相應(yīng)位置(如圖1所示). 盒中亦在相應(yīng)位置貼有器材名稱，試卷上器材列表按收納盒中器材放置位置排列. 考生在正式考試前有5 min時(shí)間用于核對(duì)器材.

圖1 放置在收納盒中的實(shí)驗(yàn)器材

1.3 試題解析

1.3.1 利用洛埃法測(cè)量半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)

1834年洛埃描述了單色點(diǎn)光源掠入射到1塊平面玻璃的表面上,其反射光束與點(diǎn)光源光束重疊區(qū)域產(chǎn)生干涉條紋. 該條紋可看成是點(diǎn)光源和關(guān)于玻璃表面對(duì)稱的虛光源產(chǎn)生的干涉結(jié)果，此干涉稱為洛埃法干涉.

實(shí)驗(yàn)要求：畫(huà)出利用洛埃法測(cè)量波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)光路圖，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)原理、計(jì)算公式、各物理量的測(cè)量方法、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)記錄與處理，計(jì)算結(jié)果. (具體答案略)

此題原理和用雙棱鏡測(cè)光波波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)完全相同[1-5]. 如圖2所示，干涉條紋可看成是實(shí)光源S(位于擴(kuò)束鏡焦點(diǎn)處)和虛光源S′(反射光線延長(zhǎng)線的交點(diǎn))干涉的結(jié)果，而雙棱鏡實(shí)驗(yàn)中均為2個(gè)虛光源. 圖3為洛埃法干涉條紋.

圖2 利用洛埃法測(cè)量激光器波長(zhǎng)光路示意圖

圖3 洛埃法干涉條紋

另外讀取光點(diǎn)和條紋位置時(shí)均應(yīng)使用測(cè)微目鏡. 在監(jiān)考及試卷批閱過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不少考生對(duì)雙棱鏡實(shí)驗(yàn)不太熟悉，甚至用直尺或游標(biāo)卡尺直接在白屏上測(cè)量條紋間距和光點(diǎn)之間距離.

此題中將厚玻璃片夾在固定在升降調(diào)節(jié)座上的干板架中. 有些考生用了玻璃條，很難調(diào)節(jié). 在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，很少有考生得滿分. 有些考生連導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)中必有的光學(xué)元件同軸等高調(diào)節(jié)也不會(huì).

在計(jì)算波長(zhǎng)時(shí)，要考慮到雙光源是在擴(kuò)束鏡的焦點(diǎn)處，條紋的位置在測(cè)微目鏡的分劃板處. 因此具體計(jì)算時(shí)，要利用給出的各元件的參量值進(jìn)行修正. 為提高實(shí)驗(yàn)精度，利用共軛法測(cè)量雙光源距離d時(shí)，測(cè)微目鏡分劃板與光源距離D略大于擴(kuò)束鏡4倍焦距，測(cè)條紋間距時(shí)，D越大越好. 另外為了條紋分布足夠?qū)?，厚玻璃片?yīng)緊靠于擴(kuò)束鏡.

從試卷批閱情況看，部分考生測(cè)量數(shù)據(jù)顯然是編造的. 此題所用的輔助透鏡(平凸透鏡)焦距為20 cm(器材上未標(biāo)明). 有些考生數(shù)據(jù)顯示D小于4倍焦距，竟然還有大像小像位置諸多數(shù)據(jù). 因此建議在之后的競(jìng)賽命題過(guò)程中，也要盡量采取措施防止少數(shù)考生編造數(shù)據(jù).

1.3.2 利用單縫衍射法測(cè)量玻璃條的楊氏模量

楊氏模量是表征固體材料抵抗形變能力的重要物理量，彎曲法是常用的測(cè)量楊氏模量方法. 如圖4所示，厚為t、寬為b的均勻玻璃條，水平對(duì)稱地放在相距為L(zhǎng)的兩刀口上，對(duì)梁中心施向下的重力mg，梁的撓度為d，此時(shí)梁的楊氏模量為

(1)

圖4 彎曲法測(cè)量楊氏模量

實(shí)驗(yàn)要求：畫(huà)出利用單縫衍射法測(cè)量楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，寫(xiě)出測(cè)量公式、實(shí)驗(yàn)步驟，列出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算楊氏模量. (具體答案略)

如圖5所示，要求考生將玻璃條放在兩樣品支架上，兩支架之間的距離為L(zhǎng)，在玻璃條中間通過(guò)雙面膠固定不銹鋼片，正對(duì)上面不銹鋼片的下方有一固定在升降調(diào)節(jié)光具座上干板架內(nèi)的不銹鋼片，通過(guò)升降調(diào)節(jié)上下不銹鋼片之間的狹縫寬度. 用細(xì)線拴住2只槽碼托盤(pán)(上面加6只槽碼)，掛在玻璃條中間. 激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)狹縫產(chǎn)生單縫衍射. 單縫衍射條紋寬度可以由測(cè)微目鏡測(cè)量[6]，并且與玻璃條中央用細(xì)線掛著的槽碼質(zhì)量有關(guān). 圖6為單縫衍射法測(cè)量玻璃條楊氏模量實(shí)驗(yàn)裝置局部圖，圖7為測(cè)微目鏡中觀察到的單縫衍射條紋.

圖5 單縫衍射法測(cè)量玻璃條的楊氏模量示意圖

圖6 單縫衍射法測(cè)玻璃條楊氏模量實(shí)驗(yàn)局部圖 圖7 測(cè)微目鏡中觀察到的單縫衍射條紋

1.3.3 測(cè)量厚玻璃片的折射率

將用水浸濕的白紙貼在厚玻璃片的一面，激光從沒(méi)有紙的另一面入射，則在白紙上可見(jiàn)以入射光點(diǎn)為圓心形似日暈的光環(huán).

實(shí)驗(yàn)要求：畫(huà)出光路示意圖，解釋光環(huán)產(chǎn)生的原因，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)過(guò)程，列出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)出玻璃片的折射率. (具體答案略)

圖8為光路示意圖，厚玻璃片一面貼有1張浸水的白紙片，激光束經(jīng)凸透鏡從玻璃片另一面入射后會(huì)聚在白紙上，在白紙?zhí)幇l(fā)生漫反射，當(dāng)反射光線和法線夾角α小于全反射臨界角αcr時(shí)，光線可以射出玻璃，否則發(fā)生全反射. 亦即在白紙這一面直徑4ttanαcr的圓內(nèi)觀察不到光(除了圓心入射光斑)，t為玻璃片的厚度. 此時(shí)浸有水的白紙起到毛玻璃作用. 測(cè)出圓的直徑為D，則折射率為

(2)

圖8 測(cè)量厚玻璃片的折射率光路示意圖

本題實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，不需要調(diào)整激光束平行于導(dǎo)軌，即使激光束有入射角，D也不會(huì)改變，對(duì)折射率計(jì)算沒(méi)有影響. 該題得分情況不佳，一方面可能是由于前面2道題花費(fèi)了大量時(shí)間，本題沒(méi)有時(shí)間做，另一方面是沒(méi)有采用輔助透鏡將入射激光束會(huì)聚到白紙上，導(dǎo)致在白紙上觀察不到清晰的光環(huán)邊界. 如圖9所示，如果采用透鏡，光環(huán)邊界會(huì)非常清晰.

圖9 采用透鏡的光環(huán)圖像

在測(cè)量厚玻璃片的厚度時(shí)，極少數(shù)考生沒(méi)記錄千分尺起始讀數(shù)(零點(diǎn)誤差)，還有些考生有效數(shù)字位數(shù)不對(duì)，單位漏寫(xiě)，均會(huì)導(dǎo)致失分.

2 實(shí)驗(yàn)試題2的解答與評(píng)析

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

測(cè)量電學(xué)黑盒子[7-8]，給出其中元件的連接結(jié)構(gòu)和元件性質(zhì). 利用黑盒子的電路和電容率測(cè)量?jī)x等，測(cè)量真空電容率和給定介質(zhì)的相對(duì)電容率[9-10].

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

1)有4個(gè)引出端口的黑盒子(見(jiàn)圖10)，內(nèi)部有電路，其特點(diǎn)是任意2個(gè)端口都不通過(guò)其他端口形成封閉回路. 盒內(nèi)部有電阻、電容和電感，共4只元件，其中電阻值范圍在1～30 kΩ,電容值范圍在100～500 pF，電感值見(jiàn)盒子表面標(biāo)注，電感值在測(cè)量電容率時(shí)會(huì)用到.

2)雙通道數(shù)字示波器1臺(tái)(鼎陽(yáng)，SDS 1202X). 附示波器快速使用說(shuō)明書(shū).

3)雙通道信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)(鼎陽(yáng)，SDG 1025). 附信號(hào)發(fā)生器快速使用說(shuō)明書(shū).

4)電容率測(cè)量?jī)x1臺(tái)(自行設(shè)計(jì)加工，如圖10所示). 測(cè)量?jī)x有2塊圓形電極平板，直徑均為50.0 mm. 極板間距為零的示數(shù)為剛好電接觸時(shí)的示數(shù)加上零位校準(zhǔn)值d0(d0=-0.010 mm).

5)用于測(cè)量相對(duì)電容率的測(cè)試樣品1片，用于清潔樣品表面的紙巾1包，用于幫助推放介質(zhì)片的牙簽1根，這些都裝在塑料盒中.

6)千分尺、游標(biāo)卡尺各1把.

7)九孔接線板1塊.

為避免器材損壞，要求參量設(shè)置不得超出試卷給出的范圍，不得短接黑盒子任意2個(gè)端口.

圖10 黑盒子與電容率測(cè)量?jī)x

儀器初始化要求：示波器、信號(hào)源都被設(shè)置在出廠默認(rèn)狀態(tài). 電容率測(cè)量?jī)x清潔. 考生在正式考試前有5 min核對(duì)器材.

另外在試卷上已提示考生，由于電容率測(cè)量?jī)x的電容非常小，雖然黑盒子用金屬外殼接地進(jìn)行靜電屏蔽，但引線以及人體位置相對(duì)變化對(duì)測(cè)量會(huì)帶來(lái)顯著影響，因此要求測(cè)量時(shí)，導(dǎo)線及人體位置盡量不要改變.

2.3 試題解析

2.3.1 確定黑盒子中元件的連接結(jié)構(gòu)，確定元件性質(zhì)

此小題分為2部分. (具體答案略)

第1部分確定黑盒子中元件的連接結(jié)構(gòu)，不要求判別元件性質(zhì). 此處有提示卡1，用文字提示測(cè)量思路，無(wú)連接圖. 用者扣10分.

信號(hào)源設(shè)置：直流偏移量不大于2 V，正弦波，交流信號(hào)頻率不大于40 kHz，交流電壓峰峰值不大于10 V，其他不限.

實(shí)驗(yàn)要求：

1)分別利用直流信號(hào)和交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，畫(huà)出測(cè)量電路示意圖，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果給出初步結(jié)論.

2)綜合交直流的測(cè)量結(jié)果，畫(huà)出黑盒子端口的連接示意圖.

第2部分確定黑盒子中元件的性質(zhì)，不要求測(cè)量元件參量. 此處有提示卡2，給出黑盒子元件性質(zhì)和連接，有連接圖. 用者扣25分，如果已申請(qǐng)過(guò)提示卡1，不重復(fù)扣分.

信號(hào)源設(shè)置：直流偏移量不大于2 V，正弦波，交流信號(hào)頻率不大于200 kHz，電壓峰峰值不大于10 V，其他不限.

實(shí)驗(yàn)要求：

1)利用直流信號(hào)或交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，畫(huà)出測(cè)量電路示意圖，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)給出結(jié)果，并且說(shuō)明理由.

2)給出黑盒子內(nèi)的元件性質(zhì)和黑盒子內(nèi)部電路圖，如果有同類(lèi)型元件,請(qǐng)定性指出參量的相對(duì)大小.

在監(jiān)考及試卷批閱過(guò)程看到相當(dāng)多的考生對(duì)示波器和信號(hào)源的使用不熟練. 特別是對(duì)示波器和信號(hào)源共地要求不清楚. 另外考生對(duì)電學(xué)基本概念的掌握不牢固，考卷已經(jīng)明確指出黑盒子元件的種類(lèi)和數(shù)值范圍，試卷和信號(hào)源快速使用說(shuō)明書(shū)中提示信號(hào)直流偏置可達(dá)2 V，且當(dāng)交流/直流電壓之比小于0.1時(shí)，可將信號(hào)源輸出信號(hào)看成是穩(wěn)恒直流. 這樣可以快速判斷黑盒子內(nèi)部的電路連接方式. 用直流可以先把電容的作用排除，這樣只剩電阻和電感2類(lèi)元件，數(shù)量最多3只，電路結(jié)構(gòu)就變得簡(jiǎn)單了. 但很可惜，在考卷有這樣多信息的情況下，還是很少有考生用電容隔直這一基本的性質(zhì).

由測(cè)量結(jié)果可知4個(gè)端口都有直流通路，所以電容器不串聯(lián)其中. 電阻或電感直接連接在端口之間，沒(méi)有元件并聯(lián). 由于考卷已給出電阻值下限以及電感值，所以在交流測(cè)量中利用感抗與電阻值相等關(guān)系求出交流測(cè)量用的頻率，這樣就不至于因頻率太高而電容的作用過(guò)強(qiáng). 結(jié)合交流信號(hào)隨頻率變化關(guān)系，比較相位變化及諧振，可以判斷電阻、電感和電容的位置，如圖11所示. 在電路中L約10 mH，電感自身電阻約20 Ω，對(duì)于每個(gè)黑盒子中的電感，均用Q表精確測(cè)量，測(cè)量值標(biāo)在黑盒子上. 另外黑盒子中R1=30 kΩ，R2= 1 kΩ，C=100 pF.

圖11 黑盒子內(nèi)部電路

2.3.2 利用黑盒子的電路和電容率測(cè)量?jī)x等測(cè)量真空電容率和給定介質(zhì)的相對(duì)電容率

此題分為2部分. (具體答案略)

第1部分測(cè)量真空電容率. 電容率測(cè)量?jī)x可以看成是容量可變的小容量電容器. 利用電容率測(cè)量?jī)x等現(xiàn)有儀器設(shè)備和黑盒子中的電路，以信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)為參考信號(hào)，設(shè)計(jì)真空電容率的測(cè)量方案，使得測(cè)量信號(hào)相位與參考信號(hào)相位相同.

實(shí)驗(yàn)要求：

1)畫(huà)出測(cè)量電路原理圖并簡(jiǎn)要說(shuō)明理由.

2)設(shè)總電容為C，可變部分為Cx，固定部分為Cg，頻率為f，極板間距為Dx. 給出計(jì)算公式并簡(jiǎn)要說(shuō)明.

3)寫(xiě)出主要的測(cè)量步驟(不含試卷中已知的注意事項(xiàng)).

4)為了避免引入較大的極板間距測(cè)量誤差，極板最小間距定為1.00～1.10 mm之間. 取1個(gè)小數(shù)點(diǎn)后第2位開(kāi)始都為0的示數(shù)為起點(diǎn)，以0.200 mm為間隔，取6個(gè)測(cè)量點(diǎn). 分別給出初始計(jì)算參量和測(cè)量數(shù)據(jù). 電接觸點(diǎn)測(cè)6次取平均.

5)用最小二乘法做線性擬合，給出相關(guān)系數(shù)、斜率和斜率的標(biāo)準(zhǔn)差.

6)計(jì)算真空電容率.

7)測(cè)量電介質(zhì)的電容率.

電容率測(cè)量?jī)x為可變電容Cx,導(dǎo)線分布電容等均歸結(jié)于固定部分電容Cg.Cx變化量在十幾pF，而分布電容在100 pF左右. 因此在測(cè)量過(guò)程中人體位置及導(dǎo)線位置均盡可能保持不變. 黑盒子中電感及與之并聯(lián)的電容與電容率測(cè)量?jī)x可有并聯(lián)聯(lián)結(jié)、串聯(lián)聯(lián)結(jié)，取樣電阻取R1或R2. 但為得到較高的品質(zhì)因子，應(yīng)按圖12搭建電路.

(a)并聯(lián)

(b)串聯(lián)圖12 黑盒子和電容率測(cè)量?jī)x最佳連接方式

還有部分考生用阻抗比變化來(lái)測(cè)量，這是對(duì)諧振特性不理解，不明白試題中敘述的與信號(hào)源相位對(duì)準(zhǔn)的物理含義，因此不得分. 另外，相當(dāng)多的考生對(duì)RLC電路不熟悉.

按圖12(a)并聯(lián)方式連接，當(dāng)電路諧振時(shí)，CH2電壓極大值，CH1和CH2同相位，利用相位比較(李薩如圖變?yōu)橹本€)，可測(cè)得諧振頻率. 按圖12(b)串聯(lián)接方式連接，電路諧振時(shí)，電路阻抗最小，電流最大，R2兩端電壓最大. 當(dāng)CH1和CH2同相位時(shí)，可得到諧振頻率. 改變極板間距(改變電容)，測(cè)量諧振頻率與極板間距的關(guān)系，從而得到真空中的電容率ε0(參考值為8.854×10-12F/m).

第2部分測(cè)量電介質(zhì)的電容率. 放入介質(zhì)片之前，極板間距為D1，相位對(duì)準(zhǔn)，諧振頻率為f. 放入介質(zhì)片，調(diào)節(jié)極板間距到D2，使得相位再次對(duì)準(zhǔn)，此時(shí)

(3)

式中：εr是相對(duì)電容率，D1和D2分別是放入介質(zhì)片之前和之后的電容率測(cè)量?jī)x極板間距，S1和S2分別是電容率測(cè)量?jī)x極板面積和介質(zhì)片面積(S1>S2)，t2是介質(zhì)片的厚度.

本題中介質(zhì)片的形狀為圓形，成分為有機(jī)玻璃，相對(duì)電容率標(biāo)稱值εr=2.81.

3 成績(jī)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)試題1成績(jī)分析

表1給出了實(shí)驗(yàn)試題1中各部分的最高分、平均分及標(biāo)準(zhǔn)偏差. 第2題最高分也僅為11.1分，相對(duì)題1和題3而言，得分率較低.

表1 實(shí)驗(yàn)試題1的成績(jī)分析

第2小題設(shè)置了提示卡1，提示實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，共有96位考生申請(qǐng)了提示卡1(占總考生26.3%)，申請(qǐng)?zhí)崾究?將會(huì)扣8分. 第3小題設(shè)置了提示卡2，提示光環(huán)產(chǎn)生原理，共有60位考生申請(qǐng)了提示卡2(占總考生16.4%)，申請(qǐng)?zhí)崾究?將會(huì)扣5分. 從試卷批閱情況看，部分考生申請(qǐng)了提示卡，但仍未完成相應(yīng)小題的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果導(dǎo)致分?jǐn)?shù)反而降低了.

3.2 實(shí)驗(yàn)試題2成績(jī)分析

表2給出了實(shí)驗(yàn)試題2中各部分的最高分、平均分及標(biāo)準(zhǔn)偏差.

表2 實(shí)驗(yàn)試題2的成績(jī)分析

從表2中可以看出黑盒子得分偏低，這是因?yàn)橹袑W(xué)生物理競(jìng)賽決賽中首次在無(wú)取樣電阻情況下利用示波器和信號(hào)源來(lái)判定黑盒子中電路結(jié)構(gòu). 對(duì)于示波器與信號(hào)源的使用，雖然有快速使用說(shuō)明書(shū)，但考生閱讀說(shuō)明書(shū)后還是覺(jué)得困難，這也與平時(shí)訓(xùn)練不夠有關(guān).

本題設(shè)了3張?zhí)崾究ǎ禾崾究?用文字提示黑盒子測(cè)量思路，無(wú)連接圖，用者扣10分，共有98人申請(qǐng)(占總考生26.8%)；提示卡2給出黑盒子元件性質(zhì)和連接，有連接圖，用者扣25分，如果已經(jīng)申請(qǐng)過(guò)提示卡1，不重復(fù)扣分，共有101人申請(qǐng)(占總考生27.7%). 之所以扣分超過(guò)第1部分滿分22分，是因?yàn)檫@部分提示對(duì)第2部分電容率的測(cè)量有幫助. 僅有6位考生先申請(qǐng)?zhí)崾究?，做不出來(lái)再申請(qǐng)?zhí)峥?. 提示卡3給出真空電容率基本計(jì)算公式，用者扣8分，共有34人申請(qǐng)(占總考生9.3%).

3.3 競(jìng)賽總成績(jī)分析

如圖13所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)與理論總成績(jī)進(jìn)行分擋統(tǒng)計(jì)，每擋20分. 可以看出總成績(jī)?cè)?40～220之間人數(shù)最多. 平均成績(jī)157，標(biāo)準(zhǔn)偏差為60. 總成績(jī)經(jīng)計(jì)算區(qū)分度為0.36.

圖13 競(jìng)賽總成績(jī)分布圖

總成績(jī)最高分為266.8，為來(lái)自浙江的考生. 湖南、浙江、四川、河北和上海為競(jìng)賽總體成績(jī)排在前列的地區(qū)，總成績(jī)平均分分別為197,195,193,188和186. 這與進(jìn)入國(guó)家集訓(xùn)隊(duì)的排名前四名為上海(9人)、湖南(8人)、河北(7人)和浙江(7人)基本一致. 結(jié)合2017年數(shù)據(jù)，近2年湖南省共有16人進(jìn)入國(guó)家集訓(xùn)隊(duì)，是所有省份中人數(shù)最多的. 其次是浙江省，僅次于湖南省，共有14人進(jìn)入國(guó)家集訓(xùn)隊(duì).

圖14為實(shí)驗(yàn)總成績(jī)的分布，每隔5分1擋. 在15～30分之間人數(shù)最多. 但總體而言，分?jǐn)?shù)集中在低分端. 實(shí)驗(yàn)成績(jī)區(qū)分度經(jīng)計(jì)算為0.33. 浙江、上海、湖南、江西、四川實(shí)驗(yàn)成績(jī)相對(duì)較好，省內(nèi)平均分分別為34，33，33，30和28分.

圖14 實(shí)驗(yàn)總成績(jī)分布圖

將各考生實(shí)驗(yàn)成績(jī)和理論成績(jī)做相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)只有0.56. 這意味著總體而言，成績(jī)高的考生，其實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)不一定高. 比如總分排在第5名的考生，理論分高達(dá)243分，而實(shí)驗(yàn)分僅有10分. 這可以看出如果考生重視實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，競(jìng)賽總成績(jī)及排名將會(huì)有質(zhì)的提升. 特別是在決賽中，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占比達(dá)到30%，是無(wú)論如何不能忽視的.

總成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)區(qū)分度均在較好的區(qū)間. 通過(guò)此次理論和實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽，能充分有效地選拔具有物理特長(zhǎng)的考生，達(dá)到物理競(jìng)賽舉辦的要求.

4 試題評(píng)析

物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽從2018年10月28日早上8時(shí)開(kāi)始到晚上9時(shí)結(jié)束. 考生分3批，每批考生輪換做實(shí)驗(yàn)試題1和2. 每場(chǎng)考試1.5 h. 對(duì)實(shí)驗(yàn)試題1和2內(nèi)容來(lái)說(shuō)，時(shí)間非常緊張. 這要求考生平時(shí)要注重實(shí)驗(yàn)基本儀器(如數(shù)字式示波器、信號(hào)源)的使用訓(xùn)練. 即使考試中提供了儀器的快速使用說(shuō)明，但必定會(huì)用去大量時(shí)間學(xué)習(xí). 另外實(shí)驗(yàn)技巧的掌握也必不可少，如光學(xué)導(dǎo)軌光學(xué)元件的同軸等高調(diào)節(jié)、測(cè)微目鏡的使用等.

實(shí)驗(yàn)試題1中第1部分內(nèi)容洛埃鏡測(cè)激光波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)方法類(lèi)似于雙棱鏡測(cè)量波長(zhǎng)，應(yīng)是得分點(diǎn)，但是從閱卷情況來(lái)看，大部分考生得分偏低. 有相當(dāng)部分考生不用測(cè)微目鏡測(cè)量條紋間距，而直接在白屏上用直尺測(cè)量，導(dǎo)致波長(zhǎng)誤差非常大. 做完這部分內(nèi)容，有些考生花了1 h，這說(shuō)明全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上列出的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練有待加強(qiáng). 第3部分內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，但是相當(dāng)多的考生將時(shí)間花在第2部分內(nèi)容上，導(dǎo)致第3部分容易得的分?jǐn)?shù)沒(méi)有得到. 因此在競(jìng)賽時(shí)要注意考試策略.

實(shí)驗(yàn)試題2第1部分黑盒子電路分析，可能許多考生沒(méi)有受過(guò)這方面訓(xùn)練，無(wú)從下手. 但如果申請(qǐng)了提示卡，知道黑盒子內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，第2部分也可得到相應(yīng)分，但許多考生對(duì)RLC串并聯(lián)諧振電路不太熟悉，沒(méi)有得到該得的分?jǐn)?shù).

此外有些考生測(cè)量數(shù)據(jù)未列成規(guī)范的表格，缺少單位，有效數(shù)字位數(shù)不對(duì).

本次競(jìng)賽2道題目總體而言，設(shè)計(jì)性比較強(qiáng)，因此相當(dāng)部分考生未能得到理想的分?jǐn)?shù)，但是能非常有效地遴選實(shí)驗(yàn)思路明晰而且動(dòng)手能力強(qiáng)的選手.