例谈设计性实验试题的求解技巧.doc

例谈设计性实验试题的求解技巧浙江省缙云中学潜松水321400国家级 考试报浙江版 2009.5.12实验是物理的基础，是高考的重要内容之一，纵观近几年高考的物理实验考题，与前几年相比有较大的变化，前几年都是考查课本上的实验，而近几年来出现了一种新题型，即用课本上的实验原理、方法去重新设计实验方案的设计性物理实验。什么是设计性物理实验？它有何特点？怎么样分析和求解？下面就来研究这个问题。1.什么是设计性物理实验所谓设计性实验，是指据现行物理大纲要求，在学生掌握的基本实验原理基础上，应用基本测量仪器自行设计实验方案的实验，设计性实验命题的考查内容，涉及到对实验原理的再认识和加工，实验方案的确定（实验器材的选择和迁移运用，实验步骤的安排 ，实验数据的处理方法，误差的分析及对实验的总结和评价等）2.设计性物理实验的特点设计性物理实验突出考查同学们的能力，与高考的要求相符，是近几年高考实验试题的一个新特点。这类实验问题具有器材新、视角新、方案新、内容新等特点，着重考查同学们的灵活运用物理实验中学过的原理与方法去处理新问题的能力；它要求同学们对课本实验的原理、方法要有较为透彻的理解，能正确使用实验中用过的仪器，并能正确运用在这些实验中学过的方法，综合分析解决新的实验问题。考生在应试过程的缺陷通常表现在以下几个方面：一方面：平时缺乏对实验思想方法（如模拟法，转换法，放大法，比较法，替代法等）进行归纳，在全新的实验情景下，找不到实验设计的原理，无法设计合理可行的方案另一方面：受思维定势影响，缺乏对已掌握的实验原理，仪器的使用进行新情境下的迁移利用，缺乏创新意识3.设计性实验.解题策略与思路3.1实验设计的基本思路明确目的选择方案选定器材拟定步骤数据处理误差分析3.2.实验设计的基本方法明确目的，广泛联系题目或课题要求测定什么物理量，或要求验证、探索什么规律，这是实验的目的，是实验设计的出发点实验目的明确后，应用所学知识，广泛联系，看看该物理量或物理规律在哪些内容中出现过，与哪些物理现象有关，与哪些物理量有直接的联系对于测量型实验，被测量通过什么规律需用哪些物理量来定量地表示；对于验证型实验，在相应的物理现象中，怎样的定量关系成立，才能达到验证规律的目的；对于探索型实验，在相应的物理现象中， 涉及哪些物理量这些都是应首先分析的，以此来确定实验的原理选择方案，简便精确对于同一个实验目的，都可能存在多种实验原理，进而形成多种(可供选择的)设计方案一般说来，依据不同的实验原理选择不同的实验方案主要遵循四条原则：科学性：设计的方案有科学的依据和正确的方式，符合物理学的基本原理可行性：按设计方案实施时，应安全可靠不会对人身、器材造成危害；所需装置和器材要易于置备，且成功率高精确性：在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的方案简便、直观性：设计方案应便于实验操作，读数，便于进行数据处理，便于实验者直观、明显地观察依据方案，选定器材实验方案选定后，考虑该方案需要哪些装置，被测定量与哪些物理量有直接的定量关系，分别需用什么仪器来测定，以此来确定实验所用器材拟定步骤，合理有序实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些量先测，哪些量后测，应以正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤数据处理，误差分析高考对此要求不高，但常用的数据处理方法(如：平均法、图象法、描迹法、比较法等)和误差分析方法(如绝对误差、相对误差等)还是应该掌握的，在设计实验时也应予以考虑 4.以电学设计性实验为例来分析其方法与技巧。电学设计性实验大多数都要设计实验电路，电学实验电路分为测量电路和控制电路两部分组成：4.1测量电路常用电学测量电路分为“内接法”和“外接法”两种，如图所示：当被测电阻较大（）时，采用“内接法”误差较小，当被测电阻较小（）时，采用“外接法”误差较小。4.2控制电路电学中控制电路分为“限流式”和“分压式”两种，如图所示。甲乙若测量电路中电流较小，且不要求从零开始测量，滑线变阻器阻值较大时，可用“限流式”控制电路，若要求从零开始测量，并连续多测几组数据，滑线变阻器的阻值较小时，可用“分压式”控制电路。例1、某电压表的内阻在20k50k之间，现要测量其内阻，实验提供下列可选用的器材：待测电压表V(03V)电流表A1(0200A)电流表A2(05mA)电流表A3(00.6A)滑动变阻器R(01k)电源E(电动势3V)开关S（1）为了尽量减少误差，要求测多组数据，试在图中所示方框中画出符合要求的实验电路图（其中电源和开关及其连线已画出）。（2）所提供的电流表中，应选用_(填写字母代号)。解析：（1）电路设计方案：有内阻的电压表可以等效为它的内阻与一个理想的电压表并联，电压表内阻两端的电压可由电压表自已测出，如下图所示：若能测出流过电流表的电流，就能求出电压表的内阻。因此，只要将电流表与电压表串联起来，就可以测出流过电压表的电流。如下图所示：再来选择控制电路，由于题目要求为了尽量减少误差，要求测多组数据，因此只能选择分压式控制电路，实验电路图如下图所示：（2）如何选择电流表：电压表中的最大电流在下面的范围内：故电流表、的量程太大，只能选用电流表例2、从下列实验器材中选出适当的器材，设计测量电路来测量两个电流表的内阻，要求方法简捷，操作方便，可进行多次测量并有尽可能高的测量精度。（A）待测电流表A1，量程40mA，内电阻约几十（B）待测电流表A2，量程30mA，内电阻约几十（C）电压表V，量程15V，内阻rV=15k（D）电阻箱R1，阻值范围09999.99（E）电阻箱R2，阻值范围099.99（F）滑动变阻器R3，阻值范围0150，额定电流1.5A（G）滑动变阻器R4，阻值020，额定电流2A（H）电阻R0，阻值是40，功率是0.5W（作保护电阻用）（I）电池组，电动势为12V，内电阻为0.5此外还有单刀开关若干和导线若干，供需要选用。（1）请设计一个测量电路，画出电路图。（2）选出必要的器材，用器材前的字母表示，有_。（3）需要哪些物理量，写出和的表达式。分析：本题要求先设计实验电路方案，再选出必要的器材，最后根据欧姆定律计算出电流表内阻的表达式。（1）测量电路的设计思路：设计方案一：要测电流表的内阻，有电流表和电压表，同学们就自然想到如下图所示的方案：（方案一）这个方案原理上是可行的，但是电流表两端的电压太小，而电压表的量程太大，电压表的指针偏角太小，读数误差太大，实际中是不可行的。设计方案二：既然方案一中电流表两端的电压太小，而电压表的量程太大，电压表的指针偏角太小，有的同学就想到电流表上串联一个电阻箱，可以增大电压表的示数，得到如下图所示的方案：（方案二）这个方案原理上也是可行的，但是电压表的量程是15V，每一小格的示数是0.5V，电压表的读数误差最大可为0.5V，而电流表中的电流最大只有3040mA，测出电阻的误差就有几十欧姆，误差太大，这个方案也不行。上述两个方案不可行的根本原因是电压表的量程太大，精度不符合要求，电压表在这个题中不能用，给出电压表是一个陷井，如果不加分析就会掉入这个陷井中。设计方案三：电压表不能用，电压无法直接测量，但有两只电流表，怎么办呢？这时我们要另辟蹊径，由串并联电路的特点可知，并联电路电压相等，因此，可将两只电流表并联起来，得到如下图所示的方案：（方案三）这个方案可以测出两只电流表的电流、，由并联电路电压相等可知：上式中有两个未知量和，无法将它们都测出来，说明这个方案还不完善，还要修改。设计方案四：由于方案三不能直接测出两只电流表的内阻，就要在两条支路中的任一条支路上串联一只电阻箱，为了方便操作，再在电阻箱的两端并联一只开关，得到如下图所示的方案：（方案四）这个方案是在方案三的基础上改进得到的，闭合开关S就会得到方案三，断开开关S，则有电阻箱与电流表串联，再与电流表并联，可测出电流表、的读数、，电阻箱的电阻读数R，故有： 这样就可以测出两只电流表的内阻。再来选择控制电路，由于题目要求可进行多次测量并有尽可能高的测量精度，因此只能选择分压式控制电路。由于电流表两端能承受的电压较小，在电路中要加一个保护电阻，保护电流表并使电压的调节范围增大。由于电流表的内电阻只有几十欧姆，电阻箱选就行。分压式控制电路中滑动变阻器应选阻值较小的，选择就行。故实验电路如下图所示。（2）由上面的分析可知，实验器材应选择：A、B、E、G、H、I（3）开关S2闭合时，测得电流表的示数I1和I2；由欧姆定律得：断开开关S2，调整电阻箱的阻值为R时，测得电流表的示数为和。由欧姆定律得：解得： 归纳：本题测量电路的设计思路是由同学们熟悉的伏安法（方案一）开始思考，很容易想到方案二，由于电压表的量程太大，精度不符合要求，电压表在这个题中不能用，只能另辟蹊径，由串并联电路的特点可知，并联电路电压相等，想到方案三，从方案二到方案三是思维能力的飞跃，是创新能力的体现。由于方案三不完善，就自然会想到方案四。思考题：若上题中只给你两只电压表，而没有电流表，要测其内电阻，应该如何设计测量电路呢？设计思路：只有电压表，而没有电流表，要测其内电阻，电压表内阻两端的电压可由电压表测出，关键是电流无法直接测出，由串并联电路的特点可知，串联电路电流强度相等，故可以把两只电压表串联起来，得到如下图所示的方案：（方案一）由于两只电压表的示数、可以直接读出，由欧姆定律得：上式中有两个未知量，无法都有测出来，与上题相似，在任意一只电压表的两端并联一只电阻箱就可以解决问题，得到如下图所示的方案：（方案二）在方案二中闭合并关S就变成方案一，断开开关S后，测出两只电压表的示数为、，电阻箱的示数为，由欧姆定律得：由上述两式解得：只要测出电压表的两次示数和电阻箱的示数，就可以测出两只电压表的内阻。小结：测电表内电阻的几种情况：1、电圧表、电流表各一只，可以测它们的内阻:（1）测电流表的内阻：（2）测电压表的内阻：2、两只同种电表若知道其中一只电表的内阻，则可测另一只电表的内阻： （1）测电流表的内阻：（2）测电压表的内阻：3、两只同种电表的内阻都未知，则需要一只电阻箱才能测出它们的内阻： （1）测电流表的内阻：（2）测电压表的内阻：电学设计性实验突出考查同学们的能力，与高考的要求相符，是近几年高考实验试题的一个新特点。这类实验问题虽然有一定的难度，但是只要同学们对课本实验的原理、方法要有较为透彻的理解，能正确使用实验中用过的仪器，不断提高灵活运用物理实验中学过的原理与方法去处理新问题的能力，这类问题就会迎刃而解。 倾听，岁月吹奏长笛，叮咚流韵，悠悠靡音。午夜乘鸾云游，虔念飘洋过海，痴缠驻守天籁，心灵驿站舒馨。静看月色，锦瑟未央，娇羞情窦初开，醉饮一阙诗经蒹葭。蝶舞翩翩，漫渡凌云，不胜凌波。踏波无浪，携手聚集灵气，惠风庭前守望。月光盈照，心池微醉，诗意芳华，缠绕穹空，悠然蜗居栖息。一弯柔情似水，秋水无痕。素风掠过心苑，犹如怡景，纤尘不染竹篱。心事平静安享，唏嘘红尘踏歌，恬淡悠远，听一天马行空。信鸽滑翔，风翅逍遥，音律穿越，坐拥不老青春。芳菲西楼浣韵，丝织金色笑语，笛箫琴瑟，植于心谷漾溢，盎然灵仙之气。风舞天涯极光，月下袅娜，醉醒守望蔓坨。心路溪谷，一簇芬芳妖娆，跫音，捕捉千里之外。杳杳讯息，铺展羁旅，心境驾舟，红尘泅渡，渡口歌者，匆匆驶过天籁。盈盈月盘，金枝玉叶为媒，凌波旅途迢迢，轻摇浅阶相遇。杯盏，斟下一弯月镰，拂去忧愁烦恼，与云雾朦胧醉卧，与影对饮，翠幽。独坐春夜，静观夏夜，旖旎秋夜，缱绻冬夜，夜夜，坐拥与你，衣袂飘飘。醉花荫处，一笺风语痴迷，沉香，沁脾。那一弯春溪泉涌，吟唱过往清风，心情澄澈释放，思绪执手填词。聆听青春嫣然。梦中一道霓虹，化为亘古琴音。相约午夜，缱绻风景，旖旎浪漫。扯下一苑芳草，萋萋蔓绿，感怀飘然轮回。登程人生，若即若离，云水禅心，未央别具一格。岁月如斯，了然于胸，与你秉烛执手，问情生命。编辑记忆，跋涉心灵轨迹，如梦鼾声，柔感情怀。走出尘世喧嚣，缘结地老天荒。待，小荷风情初窦，与天地之生灵，吟咏。卷壁苍夜，浅笑一弯碧月。谱一阙红尘神曲，载渡。寄语晨时星光，盈照旭日，小鸟伊人，浮光霓裳，晓风过隙，情泻千里，凌霄悄然寄挂。袅袅炊烟，一宛悠然，馨暖徜徉，花前月下徘徊，天涯无痕。阡陌碧波，幸福瑶池，花枝摇曳，奏一曲天籁吟韵。诗书充盈，短笛横吹，歌赋旖旎，坐拥，永恒岁月倾听，岁月吹奏长笛，叮咚流韵，悠悠靡音。午夜乘鸾云游，虔念飘洋过海，痴缠驻守天籁，心灵驿站舒馨。静看月色，锦瑟未央，娇羞情窦初开，醉饮一阙诗经蒹葭。蝶舞翩翩，漫渡凌云，不胜凌波。踏波无浪，携手聚集灵气，惠风庭前守望。月光盈照，心池微醉，诗意芳华，缠绕穹空，悠然蜗居栖息。一弯柔情似水，秋水无痕。素风掠过心苑，犹如怡景，纤尘不染竹篱。心事平静安享，唏嘘红尘踏歌，恬淡悠远，听一天马行空。信鸽滑翔，风翅逍遥，音律穿越，坐拥不老青春。芳菲西楼浣韵，丝织金色笑语，笛箫琴瑟，植于心谷漾溢，盎然灵仙之气。风舞天涯极光，月下袅娜，醉醒守望蔓坨。心路溪谷，一簇芬芳妖娆，跫音，捕捉千里之外。杳杳讯息，铺展羁旅，心境驾舟，红尘泅渡，渡口歌者，匆匆驶过天籁。盈盈月盘，金枝玉叶为媒，凌波旅途迢迢，轻摇浅阶相遇。杯盏，斟下一弯月镰，拂去忧愁烦恼，与云雾朦胧醉卧，与影对饮，翠幽。独坐春夜，静观夏夜，旖旎秋夜，缱绻冬夜，夜夜，坐拥与你，衣袂飘飘。醉花荫处，一笺风语痴迷，沉香，沁脾。那一弯春溪泉涌，吟唱过往清风，心情澄澈释放，思绪执