中學生物理奧賽專題(新)

中學生物理奧賽專題(新)中學生物理奧賽專題(新)中學生物理奧賽專題(新)一、中學生物理奧賽簡介1984年我國開辦首屆，今年是第25屆分初賽、復賽、決賽初賽、復賽由各省組織，優(yōu)勝者（江蘇一般5人）參加全國決賽初賽、復賽理論題全國統(tǒng)一，復賽實驗由各省自行命題并組織考試。04年前：復賽理論試題140分，實驗60分05年：復賽理論試題160分，實驗40分06年起：有新規(guī)定，下面專門介紹實驗一般2題，每題時間90分鐘根據以往經驗，一般電磁學1題、其他1題2020/12/182人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。中學生物理奧賽專題(新)中學生物理奧賽專題(新)中學生物理奧1一、中學生物理奧賽簡介

1984年我國開辦首屆，今年是第25屆分初賽、復賽、決賽初賽、復賽由各省組織，優(yōu)勝者（江蘇一般5人）參加全國決賽初賽、復賽理論題全國統(tǒng)一，復賽實驗由各省自行命題并組織考試。

04年前：復賽理論試題140分，實驗60分

05年：復賽理論試題160分，實驗40分

06年起：有新規(guī)定，下面專門介紹實驗一般2題，每題時間90分鐘根據以往經驗，一般電磁學1題、其他1題2020/12/182一、中學生物理奧賽簡介2020/12/182二、06年省復賽實驗部分新規(guī)定1、必須從全國競賽委員會規(guī)定的34個實驗中選取2、各省可選取部分實驗作為復賽范圍，但不得少于20個3、江蘇省確定的22個實驗項目（1）實驗誤差（2）測定金屬楊氏模量（光杠桿法）（3）研究單擺的運動特性（4）測量空氣中的聲速（5）測定冰的熔化熱（6）測定液體的熱容（7）學習使用萬用表2020/12/183二、06年省復賽實驗部分新規(guī)定2020/12/183（8）制流和分壓電路（9）測定直流電源的參數并研究其輸出特性（10）磁電式直流電表的改裝（11）測量非線性元件的伏安特性（12）直流平衡電橋（13）學習使用示波器（14）觀測電容特性（15）黑盒子（16）用霍耳效應測量磁場（17）測量光敏電阻的光電特性（18）發(fā)光二極管的光電特性（19）測定玻璃的折射率2020/12/184（8）制流和分壓電路2020/12/184（20）測量透鏡的焦距（21）調節(jié)分光計并用掠入射法測定折射率（22）觀察氫原子光普2020/12/185（20）測量透鏡的焦距2020/12/185三、實驗誤差及數據處理1、測量的誤差與不確定度概述：凡是被測量，均有客觀存在的實際值，稱之為真值。測量值與真值之差被定義為誤差。數學表達式為：無數事實證明，測量結果都有誤差，且誤差自始至終存在于一切科學實驗和測量的過程之中。掌握誤差的有關知識，用有關的誤差理論正確分析和處理實驗中的測量數據，是物理實驗研究的重要內容之一

2020/12/186三、實驗誤差及數據處理無數事實證明，測量結果都有誤差，且誤差2、測量的正確度、精密度和精確度用槍打靶為例說明2020/12/1872、測量的正確度、精密度和精確度2020/12/1873、測量的系統(tǒng)誤差（正確度）產生系統(tǒng)誤差的原因，大致有以下幾個方面：(1)儀器誤差由于儀器本身的缺陷或未按規(guī)定條件使用儀器而造成的誤差。(2)理論或方法的誤差由于測量時未能達到公式理想化的條件、或實驗方法不完善而帶來的誤差。(3)環(huán)境誤差外界環(huán)境，如溫度、濕度、電場、磁場和大氣壓強等因素的影響而帶來的誤差。(4)個人誤差這是由于觀測者本身的感官，特別是眼睛或其它器官的不完善以及心理因素而導致的習慣性誤差。2020/12/1883、測量的系統(tǒng)誤差（正確度）2020/12/1884、隨機（偶然）誤差（精密度）對同一被測量進行多次測量過程中，絕對值與符號都以難以預知的方式變化著的誤差。大量的測量實踐表明，多數的隨機誤差服從正態(tài)分布，特點如下：（1）絕對值相同的隨機誤差出現(xiàn)的概率相同，即它們的分布具有對稱性。（2）絕對值小的隨機誤差出現(xiàn)的概率大，絕對值大的隨機誤差出現(xiàn)的概率小，即分布具有單峰性。（3）絕對值很大的隨機誤差出現(xiàn)的概率趨向于零，說明其分布是有界的。2020/12/1894、隨機（偶然）誤差（精密度）（1）絕對值相同的隨機誤差出（4）當測量次數n趨向于無窮大時，各測量值隨機誤差的代數和趨向于零。其數學表達式為：偶然誤差的其他分布：如平均分布（如圖）2020/12/1810（4）當測量次數n趨向于無窮大時，各測量值隨機誤差的代數和5、測量結果的不確定度（1）誤差與不確定度（2）測量結果的含義表達物理量的三個要素：數值、單位、不確定度相對不確定度：誤差：未知不確定度：可估算2020/12/18115、測量結果的不確定度（2）測量結果的含義誤差：未知2020（3）不確定度的估計方法a.對直接測量結果的不確定度估計（a）相同條件下多次測量的情況測量列的不確定度：算術平均值的不確定度：測量結果為：最佳值：2020/12/1812（3）不確定度的估計方法測量列的不確定度：算術平均值的不確定b.間接測量的結果與不確定度間接測量是指利用直接測得量與被測量之間已知的函數關系，通過計算而得到被測量值的方法。設間接測量量（b）只測量一次的情況取儀器的基本誤差限Δ儀，或根據儀器結構、環(huán)境條件、測量對象、感官靈敏度確定極限不確定度e正態(tài)分布：e=3σ；平均分布：其中x1，x2，…xn為相互獨立的直接測量量，則間接測量量y的最佳值可由下式求得：2020/12/1813b.間接測量的結果與不確定度（b）只測量一次的情況其中x1，在各直接測量量的不確定度均已知的情況下，可由下式求出間接測量量y的不確定度：

或相對不確定度：2020/12/1814在各直接測量量的不確定度均已知的情況下，可由下式求出間接測量6、有效數字（1）有效數字的概念準確數字加一位估計數（2）有效數字的確定a.數據讀取根據儀表的最小分度確定b.當給出（求出）不確定度時不確定度一般取1位，起始數為1、2時取2位測量結果與確定度末位對齊c.未給出（求出）不確定度時按有效數字運算規(guī)則計算7、舉例（簡述）2020/12/18156、有效數字2020/12/18158、作圖法

(1)用作圖法處理數據要用坐標紙。

(2)坐標紙的大小及坐標軸比例的選取，應以能容納所有的實驗數據點和不損失數據的有效數字為依據。

(3)坐標軸要標明物理量的名稱及單位。

(4)對坐標軸還應進行分度并標明分度值。分度值一般取1、2或5的十進倍數以便于換算和描點。

(5)圖上的數據點以+、×、⊙、□、△等符號標出。如果一張圖上要同時描繪幾條圖線，則不同的圖線應用不同的符號標記。

(6)描繪圖線可用直尺或曲線尺等工具，按數據點分布的規(guī)律繪成直線或光滑曲線。

2020/12/18168、作圖法2020/12/1816(7)當圖線是直線時，作圖法常用于求直線的經驗公式，這時只要求出斜率b和截距a，就可得到直線方程在擬合的直線上取兩點(xl，y1)和(x2，y2)，則（8）作圖法舉例

2020/12/1817(7)當圖線是直線時，作圖法常用于求直線的經驗公9、最小二乘法作直線擬合最小二乘法用數理統(tǒng)計的方法來處理實驗數據，因此其結果更為科學與可信（1）用最小二乘法擬合直線方程(又稱一元線性回歸)直線函數的形式是

測量值與最佳值(回歸直線上的對應坐標)的偏差為2020/12/18189、最小二乘法作直線擬合測量值與最佳值(回歸直線上的對應坐標解得：式中：（2）相關系數及相關檢驗相關系數r的計算式為：

r的絕對值落在0～1之間，

r=±1，數據點全部落在擬合直線上，當r→0時，數據點雜亂地分散開。2020/12/1819解得：式中：（2）相關系數及相關檢驗r的絕對值落在0～1之間10、逐差法

當自變量等間隔變化，且兩物理量之間又呈線性關系時，我們除可以采用以上所說數據處理方法外，還可以采用逐差法。例如：伏安法實驗中電流變化的平均值可由下式求出以將實驗數據按順序分成相等數量的兩組（I1,…,Ik）和(Ik+1,…,I2k)，取兩組數據中對應項之差：Ij=(Ik+j―Ij)，j=1,2,…,k，再求平均

2020/12/182010、逐差法以將實驗數據按順序分成相等數量的兩組（I1,…

應用舉例：

12345678910Ui/V1.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00Ii/mA2.004.026.027.869.7511.8413.7516.0217.8819.96Δ5I=(Ii+5-Ii)/mA9.849.7310.0010.0210.21

2020/12/1821應用舉例：

12345678910Ui/V1.002.00四、常用實驗儀器簡介

1、長度測量儀器

1）米尺正確讀數

2）游標卡尺3）螺旋測微器2020/12/1822四、常用實驗儀器簡介3）螺旋測微器2020/12/14）移測（讀數）顯微鏡5）光杠桿考題簡述2020/12/18234）移測（讀數）顯微鏡5）光杠桿考題簡述2020/12/182、天平1）托盤天平、物理天平：重點在正確的操作步驟2）電子：數字顯示測量結果，注意輕拿輕放2020/12/18242、天平2）電子：數字顯示測量結果，注意輕拿輕放2020/13、時間測量儀器

1）秒表指針式、數字式

2）數字毫秒計FUNCTIONCHAGEOVERPOWER2020/12/18253、時間測量儀器FUNCTIONCHAGEOVERPOWER4、氣墊導軌5、溫度計使用注意事項：6、量熱器2020/12/18264、氣墊導軌5、溫度計6、量熱器2020/12/18266、電表1）表頭參數：I0、r2）改裝成電流表裝成的電流表量程為nI0，那么滿量程時通過電阻RI的電流為(n–1)I0，所以3）改裝成電壓表4）多量程問題2020/12/18276、電表2）改裝成電流表3）改裝成電壓表4）多量程問題2025）改裝成歐姆表中值電阻：R0+Rg+RE

調零問題（競賽題）6）檢流計2020/12/18285）改裝成歐姆表中值電阻：R0+Rg+RE6）檢流計7)萬用電表概述：分為指針式和數字式通過旋鈕可選擇測量不同的電學量及量程選擇適當的量程要點舉例：電容測量用于判斷電學元件黑箱問題A）純電阻B）含電阻、電容、電感、二極管、電池、開路、短路判斷順序及判斷方法2020/12/18297)萬用電表2020/12/1829

限流電路分壓電路綜合電路7、電阻

1）滑線變阻器用來調節(jié)電路中的電流與電壓2020/12/1830限流電路分壓電路綜合電路7、電阻2）電阻箱電阻值可調、精確度高、使用頻率高（畫示意圖）特殊用途8、電橋

1）基本電路2）互換橋臂2020/12/18312）電阻箱2）互換橋臂2020/12/18313）變化的電橋舉例9、電勢差計基本原理

例題：利用下述實驗器材，根據電勢補償原理測量一電池的電動勢及內阻。實驗器材：電阻箱3只、穩(wěn)壓電源1只、標準電阻1只、待測電池1只、雙刀雙擲電鍵1只、導線若干。2020/12/18323）變化的電橋例題：利用下述實驗器材，根據電勢補償原理測量一10、示波器

1）用途觀察與測量周期電壓信號的儀器

2）工作原理3）同步掃描原理4）使用簡介2020/12/183310、示波器3）同步掃描原理4）使用簡介2020/1、

使用前的檢查，按下表設置儀器的開關及控制旋鈕（或按鍵）。項目代號位置設置項目代號位置設置電源3斷開位置觸發(fā)源26內輝度4相當時鐘‘3點位置耦合25AC聚焦6中間位置極性24+標尺亮度8逆時針族到底電平22逆時針族到底Y方式14釋抑21逆時針族到底位移9,20中間位置，推進去掃描方式28自動V/cm12,1610mV/cmX方式29

微調13,17順時針到底，推進去T/cm300.5ms/cmAC--DC10,19微調31順時針到底,推進去內觸發(fā)45位移32中間位置1、

使用前的檢查，按下表設置儀器的開關及控制旋鈕（或按鍵）。項目代號位置設置項目代號位置設置電源3斷開位置觸發(fā)源26內輝度4相當時鐘‘3點位置耦合25AC聚焦6中間位置極性24+標尺亮度8逆時針族到底電平22逆時針族到底Y方式14釋抑21逆時針族到底位移9,20中間位置，推進去掃描方式28自動V/cm12,1610mV/cmX方式29

微調13,17順時針到底，推進去T/cm300.5ms/cmAC--DC10,19微調31順時針到底,推進去內觸發(fā)45位移32中間位置1、

使用前的檢查，按下表設置儀器的開關及控制旋鈕（或按鍵）。1、

使用前的檢查，按下表設置儀器的開關及控制旋鈕（或按鍵）。5）雙蹤示波器概述：重點注意Y方式選擇注意共地問題2020/12/18341、

使用前的檢查，按下表設置儀器的開11、信號發(fā)生器頻率調節(jié)幅度（電壓）調節(jié)2020/12/183511、信號發(fā)生器2020/12/183512、函數發(fā)生器除產生正弦電壓信號外還產生三角波、方波、鋸齒波、脈沖波等，使用方法與信號發(fā)生器相似2020/12/183612、函數發(fā)生器2020/12/183613、光具座

1）測量光學元件的參數，一般競賽題至少兩次成像例2）組成顯微鏡、望遠鏡等2020/12/183713、光具座2）組成顯微鏡、望遠鏡等2020/12/183714、分光計利用光學原理精密測量角度的儀器測量棱鏡的頂角、折射角、衍射角等2020/12/183814、分光計2020/12/1838五、部分實驗選講1、測定金屬楊氏模量（光杠桿法）2020/12/1839五、部分實驗選講2020/12/18392、研究單擺的運動特性由（1）固定擺長，測定g（2）改變擺長，測定g（3）固定擺長，改變擺角θ，測定g（4）數據處理屬于間接測量，先測量并求出直接測量量及標準不確定度，再根據公式求結果擺長：單次測量，取極限不確定度，換算成標準不確定度；其他：多次測量，求平均值及其不確定度得：2020/12/18402、研究單擺的運動特性（1）固定擺長，測定g（4）數據處理得3、測定空氣中的聲速a、極值法（駐波法）b、相位法2020/12/18413、測定空氣中的聲速2020/12/18414、測定冰的熔化熱重點：a、熱平衡方程式必須注意考慮周全冰的初始溫度、冰、水、量熱器內桶和攪拌器的比熱容等b、初始溫度在室溫之上，平衡溫度在室溫之下c、先做一次實驗在分析現(xiàn)象和結果的基礎上，確定起始、終了溫度及冰的質量以多少為宜2020/12/18424、測定冰的熔化熱b、初始溫度在室溫之上，平衡溫度在室溫之下5、測定液體的熱容原理：根據牛頓冷卻定律式中T為初始溫度，θ為室溫，k為散熱常數，靜態(tài)時有：2020/12/18435、測定液體的熱容式中T為初始溫度，θ為室溫，k為散熱常數6、制流和分壓電路重點：分壓電路的分壓比和負載電阻的關系則分壓比：負載電阻和變阻器全電阻之比：設：變阻器的電阻比為：K(x)2020/12/18446、制流和分壓電路則分壓比：負載電阻和變阻器全電阻之比：設：7、測定直流電源的參數并研究其輸出特性原理（1）U-I特性（如圖13-1）（2）PL-RL特性（如圖13-3）實驗數據記錄表格設計2020/12/18457、測定直流電源的參數并研究其輸出特性（2）PL-RL特性（8、觀測電容特性（1）用數字電壓表直流電壓量程觀察電路中電容的充、放電現(xiàn)象（2）用示波器觀察RC電路的充、放電現(xiàn)象2020/12/18468、觀測電容特性（2）用示波器觀察RC電路的充、放電現(xiàn)象2（3）根據電容容抗和頻率的關系測定電容量電路如圖電源改為正弦信號，頻率f已知用交流電壓表測量出UC、UR及R（已知），則電容量可由下式求出2020/12/1847（3）根據電容容抗和頻率的關系測定電容量電源改為正弦信號，頻9、黑盒子（1）種類1）純電阻2）含電阻、電容、電感、二極管、電池、開路、短路3）兩端與多端多端情況一般為四個接線端（如圖），其中有三個元件，只可能串聯(lián)（2）判斷方法1）是否有電池2）是否有二極管3）是否有電容注意開路與電容的區(qū)別，注意電表量程2020/12/18489、黑盒子（2）判斷方法2020/12/18484）電阻的判斷注意大電阻與小電阻5）多端黑盒子的判斷認真記錄接線端的任意兩端，在各種組合下的電表正、負端交換的測量情況，建議先做好如下表格對于電容、電感，可根據需要采用交流的方法進行判斷（方法簡介）最后根據表中的判斷結果，結合邏輯分析得出正確的答案2020/12/18494）電阻的判斷對于電容、電感，可根據需要采用交流的方法進行判10、測量光敏電阻的光電特性光敏電阻簡介結構如圖受到光照，阻值降低，光照越強，阻值越低，光照停止，阻值恢復電壓一定時的光照特性光照一定時的伏安特性2020/12/185010、測量光敏電阻的光電特性受到光照，阻值降低，光照越強，阻實驗內容（1）用數字萬用表測量光敏電阻的阻值，并觀察光敏電阻的特性（2）在閉光條件和見光條件下測量光敏電阻的伏安特性（電路如圖）用數字萬用表測量出UG、UR及R（已知）計算出IG，（IG=UR/R）（3）測量光敏電阻的光照特性改變光敏電阻和光源的距離，測量UR的變化2020/12/1851實驗內容用數字萬用表測量出UG、UR及R（已知）2020/111、發(fā)光二極管的光電特性發(fā)光二極管簡介（1）伏安特性（與普通二極管相似）1）正向閾值電壓UD、2）正向工作電壓UF、3）最大正向直流電流Im、4）反向擊穿電壓：一般為-5V（2）光譜特性紅、綠、黃、橙、籃、紫、紅外、白等（3）根據正向閾值電壓UD估算發(fā)光波長式中：2020/12/185211、發(fā)光二極管的光電特性式中：2020