设计型实验

第五节 设计型实验一、命题趋势走向在理科综合考试的说明中，明确地把“设计和完成实验的能力”作为一个目标，在上海的高考试题中，设计型实验具有很好的测试效果，全国的高考试题中对实验的考查也在逐步转向设计型的实验，它必将是今后高考物理实验命题的热点。二、学习目标知道中学物理中常用的物理实验思想、方法，并能应用它进行实验设计。三、复习辅导1.中学物理实验的主要方法：比较法：通过对一些物理现象或物理量的比较，达到异中求同和同中求异的目的。如用天平测量质量要比用弹簧秤测量（重力求出质量）准确。替代法：用一个标准的已知量代替被测量，调整此标准，使整个测量系统恢复到替代前的状态，则被测量等于标准量。如用电阻箱代替被测电阻。放大法：把被测物理量按一定规律放大后再进行测量的方法。常用的有累积放大法，即在测量比较小的物理量时，累积后再测量，可减小误差；机械放大法，如螺旋测微器就是利用机械放大进行测量微小物体的长度，提高测量精度；光学放大法，把微小的效应用光学放大，如卡文迪许实验和微小形变实验的光学放大等。转换法：将不易测量的量转换为另一种易测的量进行测量的方法。等效法：如碰撞实验中用水平位移等效于水平速度；验证牛顿第二定律中的平衡替代前的状态，则被测量等于标准量。如用电阻箱代替被测电阻。控制变量法：在有多因素影响的实验中，可先控制一些量不变，依次研究另一些因素的影响。如验证牛顿第二定律和验证欧姆定律实验。另外还有留迹法、模拟法、补偿法等。2.实验设计方法：一般分根据实验要求和实验器材选择实验方案、方法。方案选择的原则是： 正确性：即实验方案所依据的原理要简明、正确；可靠性：即实验的方案的实施要安全可靠，不会对仪器即人身造成危害；简便性：即在保证实验正常进行的前提下，便于操作、便于读数、便于数据处理;精确性：即对各种可能的实验方案进行初步的误差分析，尽可能选用实验精度高的方案。3.实验器材的选择：要根据题设条件和实验要求选择，另外要尽可能减小实验误差。例1.为测定木块与斜面之间的动摩擦因数，某同学让木块从斜面上端自静止起做匀加速下滑运动，如图（1）所示，他使用的实验器材仅限于（1）倾角固定的斜面（倾角未知）、（2）木块（3）秒表（4）米尺。实验中应记录的数据是 计算动摩擦因数的公式是= 为了减少测量的误差，可采用的办法是 解析：本题设计原理是利用滑块在斜面上做匀加速运动时加速度为：a=gsingcos从而有：=tga/ gsin因此必须知道tg、sin、和加速度a。因为tg=h/d, sin=h/L所以需用米尺测L,d,h。而加速度a=2L/t2 因此还需用秒表测滑块从静止开始下滑至底端的时间t。从而得= h/d 2L2/gdt2为减少测量误差需多次测量求平均值。例2. 如图2所示，P是一根表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的大陶瓷管。(其长度L为50厘米左右，直径D为10厘米左右)，镀膜材料的电阻率已知，管的两端有导电箍MN。现给你米尺，伏特计V，安培计A，电源E，滑动变阻器R，电键K和若干导线。请设计一个测定膜层厚度d的实验方案。(1)实验中应测定的物理量是： (2)在图3中用连线代替导线，连接测量电路实物图。(3)计算膜层厚度的公式是： 解析：利用所学过的物理知识巧测很薄的物件的厚度，这是一道很能体现理论联系实际的好试题。学生不难根据对进行实验所需掌握的相关知识的理解和记忆，知道是利用欧姆定律，即R=U/I=L/S困难在于找出厚度d与截面积S有何关系？能否仅凭题给的看似不足的已知条件正确地表示出S，就看学生等值转换的创造能力的高低了。实际上我们可以把这根管形空心导体的环形截面等效成一个矩形截面，其长为环的周长D。由于膜很薄，故D与平均周长（D-d/2）相差甚微。因此它的截面积S=Dd 解得 d=LI/DU 实验中应测定的物理量是L,D,U,I。电路实物连接如图4所示，(因条件不明确，测量电路安培表内接、外接均可。控制电路没有特别要求时，可用限流接法。)四、练习题1.给你一架天平和一只秒表，如何有实验来估测用手急速竖直上抛小球时，手对小球做的功？要求写出测量哪些量、如何测量，并写出计算时所需的关系式。2.有一只电压表，量程已知，内阻为RV，另有一电动势未知但不超过电压表量程、内阻不计的电池。用这只电压表和电池，再有一些导线和开关，设计测量某一高值电阻Rx（和RV 差不多）的实验方法。要求画出实验电路图，说明测量步骤、需记录的实验数据，被测电阻Rx的计算式。3.实验室内备有下列器材：A.长度为1米的刻度尺；B.游标卡尺；C.秒表；D.打点记时器；E.频率为50Hz的电压交流电源；F.铁架台；G.天平；H.低压直流电源；I.重锤。用其中的什么器材如何测量重力加速度？4.有下列器材：长30厘米的毫米刻度尺；内径为23毫米的粗细均匀的直玻璃管，内有一段长约810厘米的水银柱封闭一段长约1215厘米的空气柱；量角器；温度计；带有重垂线的铁架台。要求用上述器材，测出实验室内大气压强。试设计一个实验方案并简要说明设计思想和需要测量的物理量。5.如图5所示的电路测定未知电阻Rx的值。图中电源电动势未知，内阻与电流表内阻均可忽略不计，R为电阻箱。若要测量Rx的值，R至少需要取 个不同的数值；若电流表每个分度表示的电流值未知，但指针偏转角度与通过的电流成正比，则在用此电路测量Rx时，R至少需要取 个不同的数值；若电源内阻不能忽略，能否用此电路来测量Rx？6.用实验室提供的下列器材：小磁钢球（质量为m），小铜球，相同的细线两条，铁架台，铁板，用这些器材如何测量小磁钢球与铁板距离为d时，它们之间的磁力的近似值。简要说明实验的设计思想；简要说明测量的重要步骤与测量的物理量；用已知量和测量量表示磁力的计算式是 。7.用平板、小车及打点记时器等装置能否验证动量守恒定律？要求是粘有橡皮泥的两个小车碰撞。还需要哪些器材？测量哪些量？8.“伏安法”测电阻时，由于电压表、电流表内阻的影响，使得测量结果总存在误差，而按图6所示电路进行测量，则由电压表、电流表内阻所造成的误差可消除。（1