验教学与仪器(中版)高探究与创新物理实验测试的几种....pdf

实验教学 与仪器 ( 高 中版 ) 探 究 与 创 新 物 理 实 验 测 试 的 几 种 新 题 型 陈宝友河北省郑1 ：2中学 周怀振 河北省故城县 高级中学 众所周知，物理学是一门以实验为基础的学科 ， 实 验在其中处于十分重要的位置。E t 前 ， 高考理科综合测 试的 目标要求考生能掌握教学大纲中规定的实验 ， 包括 实验 目的、 实验原理和实验步骤 ， 会控制实验条件和会 使用实验仪器； 会观察和分析实验现象， 解释实验结果 ( 数据) 并得出实验结论 ； 能够根据要求设计简单的实验 方案。简而言之 ， 理科综合测试对设计和完成实验的能 力 目标分为两条， 即： ( 1 ) 能解释实验现象和结果 ， 能通 过分析和推理得出实验结论； ( 2 )能根据要求设计简单 的实验方案。考查学生设计实验的能力 ， 是素质教育培 养学生创新意识的重要手段之一 ， 是对学生实验知识和 实验能力的综合考查。 这在近几年高考物理实验命题中 已体现出来 ， 实际上 ， 近几年的高考物理试题 已证 明了 这一点， 正所谓“ 新高考 ， 新实验” ， 这些实验题的变化趋 势为实验复习提供了明确的导向。 一 、注意基本仪器的使用 高考考试大纲中明确指出， 要求会正确使用包括刻 度尺、 螺旋测微器、 多用电表 、 示波器等在内的十八种基 本仪器， 而近年的高考试题也已经证明了这一点。 例1 用螺旋测微器( 千分尺) 测小球直径时， 示数 如图1 所示 ， 这 时读 出的数值是 ， 单位是 。 解析 ： 本题中， 只要掌握了螺旋测微器的原理与读 数规则， 答案易得。 首先， 在固 定部分有2 5 m m， 在可动部分 读 出0 1 O O m m，注意最末 一位 数字是估计读出的。 因此答案 分别为： 2 6 0 0 m m。 图1 二 、 必须重视 基本 实验的复 习 近几年的理科综合测试物理实验题大都为设计性 实验， 而高中物理课本中的学生实验与演示实验基本上 未曾涉及 ， 设计性实验的重要性由此可见一斑 ， 但这绝 不意味着可 以放弃学生实验和演示实验 。实际上 ， 在 2 0 o 3 年全国高考理科综合测试物理试题 中， 却“ 回归” 课 本 ， 出人意料的没有出现实验设计试题 ， 这或许是一个 信号 ， 必须重视课本基本实验的复习。 例2 某同学 用圆柱形玻璃砖做玻璃折射率的实 2 0 验。先在白纸上放好圆柱形玻璃砖 ， 在玻璃砖的一侧插 上两枚大头针P 和P ， 然后在圆柱形玻璃砖另一侧观察 ， P 3 住 ，接着在眼睛所在的一侧相继、 I 静 静 、 又插上两枚大头针P ， 、 P 4 ， 使P 挡 V 住P I 、 P 2 的像 ， 使P 4 挡住P 3 和P 、 P 2 的像， 在纸上标出的大头针位置和圆柱形玻璃砖的边界 如 图2 所示 。 ( 1 ) 在图上画出所需的光路。 ( 2 ) 为了测量出玻璃砖折射率， 需要测量 的物理量 有 ( 要求在图上标出) 。 ( 3 ) 写出计算折射率的公式 。 解析： 测定玻璃砖折射率的实验是课本中规定的学 生实验之一， 尽管本题中使用了圆柱形玻璃砖 ， 但仍然 可利用课本中的方法处理， 四枚大头针P 、 P 、 P ， 、 P 插上 后 ， 使P ， 挡住P 。 、 P 2 的像 ， 使P 4 挡住P ， 和P 、 P z 的像， 说明过P 、 P 的光线被 玻璃砖折射后由P ， 、 P 进入人眼 ， 因 而光路如图3 所示。根据折射定律 图3 n = s i n i s i n r ， 只要测出入射角 和折射角r ， 即可由公式n = s i n i s i n r 计算折射率。 三 、 迁移 性实验 我们要注意基本仪器使用的知识的迁移、 学生分组实 验知识的迁移和演示实验知识的迁移。 关键在于能否将已 掌握的实验知识和方法灵活地迁移到新的实验情境中去。 例3 某电压表的内阻在2 0 k l 一 5 0 k f 之间 ，现要测 量其内阻 ， 实验室提供下列可选用的器材 ： 待测 电压表 V( 量程 3 V) ； 电流 表A ( 量程2 0 0 A ) ； 电流表 A ( 量程 5 mA) ； 电流表A ， ( 量程0 6 A) ； 滑动变阻器R( 最大 阻值 1 k n) ； 电源E ( 电动势4 V) ； 电键K。 ( 1 ) 所提供的电流表中， 应选用 ( 填写字母代号) 。 ( 2 ) 为了尽量减小误差， 要求测多组数据。 试在方框 中画出符合要求的实验电路图( 其 中电源和电键及其连 线 已画出 ) 。 解析 ： 据欧姆定律知 ， 电压表读数等于通过 电压表 的电流与电压表内阻之积 ， 在这里我们只要将电压表看 维普资讯 r 探 究 与 创 新 实验教学 与仪器 ( 高 中版 ) 作是一个电阻， 它两端 电压 即是其读数 ， 而通过它的电 流最大值是3 V 2 0 k = 1 5 0 1x A。 为减 小误 差 ，所 选用 的电流 表指 针偏 转要 尽可 能 大。因此， 在提供的三个电流表中， 应选择量程为2 0 0 A 的A 。 ， 实验电路图如图4 。 这实质上可以认为是用 电压表 当成了一个电阻。 四、 设计 性实验 例4 现有一根粗 细均匀长约4 0 c m， 两端 开口的玻璃管 ， 内有一 图4 小段水柱， 一个弹簧秤， 一把毫米刻度尺， 一小块橡皮泥， 一 个足够高的玻璃容器 ， 内盛有冰和水的混合物， 选用合 适的器材， 设计一个实验， 估测当时的室内温度， 要求 ： ( 1 ) 在图5 右边方框中画出实验示意图； ( 2 ) 写出要测定的物理 量 ，写出可直接应用的物理量 ； ( 3 ) 写出计算室温的表达式 。 皮泥 * 玻 璃管 弹簧秤 T r1_rr 图 5 解析 ： ( 1 ) 我们知道 ， 测温度可直接用温度计进行 ， 但本题中无温度计， 故必须通过设计实验进行测量。根 据提供的器材 ，我们可以用橡皮泥封住玻璃管一端 ， 这 样即在玻璃管 中封闭了一部分气体。 通过这段气柱在室 内及冰水中的长度不同，可利用盖 吕萨克定律间接估 测当时的室内温度( 实验示意图略) 。 ( 2 ) 可直接应用的物理量有 ： 玻璃管放在室温中时 空气柱的长度Z 。 ，玻璃管浸在冰水内时空气柱的长度Z ， 冰水的温度 。 ( 3 ) 由盖 吕萨克定律可推出 形l f 。 五 、 专题研 究性 实验 中学物理教学大纲指 出，在高级中学开展课题研 究 ， 是全面培养学生综合运用所学知识的能力 、 收集和 处理信息的能力 、 分析和解决问题的能力、 语言文字表 达能力以及团结协作能力的重要环节 ， 这项活动还有利 于培养学生独立思考的习惯 ， 激发学生的创新意识。教 育部最近颁发的普通高中物理课程标准， 也对高中学生 在科学探究和物理实验 中的科学探究要素提出了一些 基本要求。可以说 ， 课题研究是高中物理教学中的新内 容。 实际上 ， 2 0 o 2 年高考上海试卷中即已出现此类问题 ， 所以对此要予以高度重视。 例5 有一组 同学对温度计进行专题研究 ，他们通 过查阅资料得知， 十七世纪时伽利略曾设计过一个温度 计 ， 其结构为： 一麦秆粗细的玻璃管 ， 一端与一鸡蛋大小 的玻璃泡相连 ， 另一端竖直插在水槽 中， 并使玻璃管 内 吸入一段水柱 ， 根据管中水柱高度的变化可测 出相应的 温度。为了研究“ 伽利略温度计” ， 同学们按照资料中的 描述 自制 了如 图6 所示的测温装置， 图6 中A为一小塑料 瓶， B 为一吸管 ， 通过软木塞与A 连通。管的下端竖直插 在大水槽中， 使管内外水面有一高度差h ， 然后进行实验 研究 ： ( 1 ) 在不同温度下分别测出对应的水柱高度h ， 记录 的实验数据如下表所示 ： 温 度 ( ) 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 2 7 h ( c m 1 3 0 0 2 4 9 1 9 7 1 4 6 9 4 4 2 ： l h 5 1 根据表中数据计算相邻两次测量 水柱的高度差， 并填入表内的空格。由 此可得结论 ： 当温度升高时 ， 管 内水 柱高度h 将 ( 填 ： 变大 ， 变小 ， 不 变) ， 水柱高度h 随温度的变化而 ( 填 ： 均匀 ， 变小 ， 不均匀 ) ； 试从理论上 分析并证明结论的正确性 ( 提示 ： 管 内水柱产生的压强远远小于一个大气 压 ) ： 。 水 ( 2 ) 通过实验 ， 同学们发现用“ 伽利 图6 略温度计” 来测量温度， 还存在一些不足之处 ， 其中主要 的不足之处有： ； 。 解析： 显然 ， 本题主要考查考生进行专题研究的信 息汲取及处理能力， 对实验结果的分析、 判断能力。 ( 1 ) 由表中数据 ， 易求得相邻两次测量的水柱高度 差依次为 ： 2 4 9 1 9 7 = 5 2 e m ， 1 9 7 1 4 6 = 5 1 e m， 1 4 6 9 4 = 5 2 e m， 9 4 - 4 2 = 5 2 e m， 这说 明： 温度升高时 ， 管内水柱 高度将变小 ；水柱高度将随温度的变化而均匀变化 ， 这一点在理论上也极易证明： 由于管内水柱产生的压强 远远小于一个大气压 ， 故可认为被封闭气体近似地做等 压变化 ， 根据盖 吕萨克定律 ， 即被封闭气体的体积与温 度之 比为定值 ，故水柱高度将随温度的变化而均匀变 化 。 ( 2 ) 对专题研究进行评估也是专题研究能力的一项 内容， 从伽利略温度计结构及原理出发， 不难发现其不 足之处主要有 ： 测温范围小； 温度计读数受大气压 影 响 。 六、 理论联系实际的实验题 把物理知识与生活实际、 科学技术 、 社会热点等紧 密联系并以此来解决实际问题，是物理学任务之一 ， 要 进一步加强理论联系实际。 例6 利用打点计时器研究一个约1 4 m高的商店卷 帘窗的运动。将纸带粘在卷帘底部 ， 纸带通过打点计时 器 随帘在竖直 面 内向上运 动 。 打印后 的纸带 如 图7 所示 ， 2】 维普资讯 l = 实验教 学与仪 器 (高 中版 ) 实 验 点 睛 谶 国 痢 鼠窜 张银发河北省魏县第一中学 中学化学中常见的试纸有 ： 蓝色石蕊试纸 、 红色石 蕊 试纸 、 p H 试纸 、 淀粉碘化钾试 纸 、 醋酸铅试纸等 。 试纸一般 是用滤纸浸泡不 同的指示剂溶液 ， 晾干后而制得。试纸一 般是用来 检验 一些 溶液的性质或判断某些物质是 否存 在 的。在试纸 的使用过程中我们应注 意以下事项。 一 、注意操作规范 。 防止试纸污染 在使 用试纸检测某物质时 ，应把试纸 放在表面皿或 玻璃 片上 ， 用蘸有待测溶液的玻璃棒点试纸 的中部 ， 试纸 被润湿后 ， 观察颜色变化 ， 判断溶液性质 。切 忌直接放在 实验台上，也不可把试纸放在被污染的表面皿或玻璃片 上。在使用试纸检验气体 的性质时 ， 一般先用蒸馏水把试 纸润湿 ， 然后粘在玻璃棒的一端 ， 把粘有试纸 的玻 璃棒放 在待测气体的导气管口附近， 观察试纸颜色的变化， 判断 气体性质。在用试纸检测气体性质时 ， 我们应注意： 试 纸首先要润湿； 试纸不能直接接触溶液 ； 切记不可用 手直接拿试纸 去检验 。另外在使用试纸时 ， 我们应注意节 省 ， 每次取一 小片即可 ， 不可取用 整条试纸 ， 使用 完试纸 后应注意密封保存 ， 防止被气体污染。 二 、 不同的试纸在使用 中的注意事项 1 p H试 纸 数 据如 表格 所示 。纸带 中 A B、 B C、 C D每两点之间 的时间间隔为 0 1 0 s ， 根据各 间距的长度 ，可计算出卷帘 窗在各间距内的平均速度 。可以将 近似地作为该 间距 中间时刻的 即时 速度 。 解析 ：该题是利用打点 计时器来研究商店卷帘窗的 运动情况的一道理论联系实 际的实验题。卷帘窗的运动 包括 了匀加速直线运 动 、 匀 速直线运动 、匀减速直线运 动等， 情况复杂。 在绘 出卷帘 窗运动的 - t 图线 的基础上 应用运动学公式求得运动的 加速度与平均速度 ： a A D = 5 m s = 1 3 9 m s 。 2 2 卷帘运动的数据 间隔 间距 ( c m1 AB 50 B C 1 o 0 CD l 50 D E 2 0 0 E F 2 0 0 F G 2 00 GH 2 0O HI 1 70 U 8 0 J K 4 0 图 7 用p H 试纸检验溶液的性质时不要润湿， 在检验气体 的性质时 则需润 湿 ，但 在使 用p H 试 纸测 定溶液 的p H 值 时 ， 切不可 润湿 ， 否则 ， 即相 当于把 原溶液 稀 释 ， 所 测p H 值不是原溶液 的p H 值 。在使用 p H 试纸 测定溶液 的p H 值 时 ， 用 玻璃棒 蘸取原 溶液 滴在 干燥 的p H试纸 中央 ， 然后 与标准 比色卡对照 ， 所测得 的p H值 只能是 近似值 ， 如 ： p H 为3 _ 4 ， 而不可能是3 6 之类的具体值。 2 蓝 色石 蕊 试 纸 蓝色石蕊试纸是用来检验酸性溶液或酸性气体的 ， 在使用时应注意以下几个方 面。 ( 1 )非氧化性酸或只生成非氧化性酸的气体只使蓝 色石蕊 试纸变红 ， 如稀盐 酸 、 浓盐 酸 、 稀硫 酸 只使 蓝色 石 蕊试纸变红，用湿润的蓝色石蕊试纸检验S O 气体时 ， 试 纸只变红不褪色 ， 注意S O 不能漂 白酸碱指示剂。 ( 2 )氧化性酸或生成氧化性酸的气体使蓝色石蕊试 纸先变红后褪色 ， 变红体现的是酸性 ，