浅谈初中物理实验的设计技巧

浅浅谈谈初中物理初中物理实验实验的的设计设计技巧技巧 江苏省海安县张垛初中江苏省海安县张垛初中 226651226651 夏飞夏飞 在物理实验题中 有一类实验设计题 题设巧妙 若能巧用相应的方法设计实验 问 题便迎刃而解 现剖析几类 以作抛砖引玉 一 控制变量法设计实验一 控制变量法设计实验 若研究对象与几个物理因素有关 为了弄清研究对象与存在因素的关系 通常采用控 制变量法设计实验 控制变量法 就是在研究物理问题时 为了弄清研究对象与某个因素的关系 使其它 因素保持不变的方法 例 1 国庆节假日 小敏帮助妈妈洗衣服 细心的她观察到 妈妈将洗出来的衣服要 用衣架撑开 放在通风 向阳的地方 善于动脑筋的小敏思考这样一个问题 液体蒸发的 快慢跟哪些因素有关呢 通过观察妈妈将洗出来的衣服用衣架撑开 放在通风 向阳的地 方 提出如下猜想 液体蒸发的快慢可能与液体的温度有关 液体蒸发的快慢可能与液体的表面积有关 液体蒸发的快慢可能与液体的表面空气的流速有关 为了弄清液体蒸发的快慢与存在因素的关系 小敏用控制变量法设计并进行了实验 通过收集证据 归纳分析 从而得出了正确的结论 现在请你设计实验来验证小敏的结 论 析与解析与解 依据控制变量法 实验步骤设计如下 研究水的蒸发快慢与温度的关系 将等量的水倒入两个相同的杯子中 保持水的表面积 表面空气的流速相同 使两杯 水的温度不同 观察两杯中水蒸发的快慢 发现液体的温度越高 蒸发越快 研究水的蒸发快慢与表面积的关系 将等量的水倒入两个大小不同的杯子中 使水的表面积不同 保持水的温度 表面空 气的流速相同 观察两杯中水蒸发的快慢 发现液体的表面积越大 蒸发越快 研究水的蒸发快慢与表面空气流速的关系 将等量的水倒入两个相同的杯子中 保持水的表面积 水的温度相同 使水的表面空 气的流速不同 观察两杯中水的蒸发快慢 发现液体的表面空气流速越快 蒸发越快 二 差值法设计实验二 差值法设计实验 测定液体的密度 为了减小误差 通常采用差值法设计实验 例 2 小华是个勤劳的好孩子 经常帮助妈妈做一些力所能及的家务活 一天在炒菜 时发现油浮在水面上 爱动脑筋的她想 油为什么会浮在水面上呢 探究了密度的知识后 她猜想可能是油的密度比水的密度小 这激发了她的好奇心 她决定通过实验来测定油的 密度 小华通过查阅资料了解到 测定小石块密度的实验原理是 又了解到由于 V m 在测量过程中 测量的人 测量的工具都会造成测量误差 由测量工具形成的误差 减小 误差的方法是选用更精密的测量工具 由测量的人形成的误差 减小误差的方法则常用多 次测量取平均值的方法 若是在测量过程中先用天平测出烧杯中食用油的质量 再将烧杯中食用油倒入量筒中 测食用油的体积 测得油的质量值是准确的 将杯中的油倒入量筒中时 烧杯壁上会粘有 少量的油而使测得的体积值偏小 从而测出的密度值偏大 若是在测量过程中先用量筒测食用油的体积 再将量筒中的油全部倒入烧杯中 用天 平测出食用油的质量 测得油的体积值是准确的 将量筒中的油倒入烧杯中时量筒壁上会 粘有少量的油 从而使测得的油的质量值偏小 从而测出的密度值偏小 由于在操作过程中烧杯壁或量筒壁上会粘有少量的待测液体 所以会形成误差 小华 经过思考后改进后了测量方案 设计了合理的操作顺序 从而减小了误差 顺利测出了油 的密度 请你设计出小华改进后测量油的密度的实验步骤 析与解析与解 根据题意 用差值法设计实验 实验步骤如下 a 把天平放在水平的工作台面上 调节天平平衡 b 往烧杯中倒入适量的油 用天平称出烧杯和油的总质量为 m1 c 将烧杯中的部分油倒入量筒中 读出量筒中油的体积为 V d 用天平称出烧杯和剩余油的质量为 m2 e 则被测油的密度为 V mm 21 三 替代法设计实验三 替代法设计实验 替代法又称等效替代法 由于替代的物体与被替代的物体在某一情境下作用的效果相 同 通常用可直接测量的物理量代替不可直接测量的物理量 是物理研究中常用的一种方 法 例 3 在物理实验中常用到等效替代法 例如 将一个 7 的电阻替换某支路中 2 和 5 串联的电阻 在其他条件不变的情况下 该支路中电流不变 说明一个 7 的电阻 与阻值为 2 和 5 串联的电阻对电流的阻碍作用是等效的 所以可用 7 的电阻替代 2 和 5 串联的电阻 在用如图 1 所示电路测量未知电阻的实验中 用的就是等效替代法 其中 RX是待 测电阻 阻值大约几百欧 R 是滑动变阻器 R0是电阻箱 电阻箱的最大电阻值大于 RX 1 请根据实验电路图把下列主要实验步骤中的空白处填 齐 按电路图连好电路 并将电阻箱 R0的阻值调至最大 闭合开关 S1前 滑片 P 置于 填 a 或 b 端 闭合开关 S1 闭合开关 调节滑片 P 使电流表指针指在 适当的位置 记下此时电流表的示数 I 先断开开关 再闭合开关 保 持的电阻不变 调节 使电流表的示数仍为 I 2 在此实验中 若将电流表改为电压表 其他器材不变 画出用等效替代法测量 RX 电阻的实验电路图 要求所设计的电路在连接好后 只能通过开关改变电路连接情况 析与解析与解 1 根据题意可知 欲测出未知电阻 RX的阻值 用可调节的电阻箱来替代 未知电阻 RX的阻值 应先将未知电阻接入电路 所以应先闭合开关 S3 调节滑 动变阻器 使电流表指针指在适当的位置 记下此时电流表的 示数 I 再断开开关 S3 闭合开关 S2 调节电阻箱 R0 使电流 表的示数仍为 I 则此时电阻箱 R0的示数大小即为待测电阻 RX 的阻值的大小 2 根据题意可知 若将电流表改为电压表 其他器材不 变 则根据电表的特点 电流表与被测的用电器串联 电压表与被测的用电器并联 所以 将干路中的电流表去掉 在并联电路部分并联上电压表即可 再根据等替代法的规律 应 先将未知电阻接入电路 所以应先闭合开关 S3 调节滑动变阻器 使电压表指针指在适当 的位置 记下此时电压表的示数 U 再断开开关 S3 闭合开关 S2 调节电阻箱 R0 使电压 表的示数仍为 U 则此时电阻箱 R0的示数大小即为待测电阻 RX的阻值的大小 电路图如图 2 所示 四 分析法设计实验四 分析法设计实验 有一类实验设计题 根据被测物理量的结果 依次层层逆向分析 逐步浮现出各研究 对象之间物理量的关系 从而寻找出被测量的物理量 使问题迎刃而解 例 4 小婷是物理课外兴趣活动的组长 在帮助实验老师整理器材时 看到实验桌上 还有天平 包括砝码及砝码盒 弹簧测力计 盛有适量水的水槽 压强计 一只玻璃瓶 细线 一个小石块 两只大水杯 还有一杯未知的液体 小婷感到很好奇 这杯液体是什 么物质呢 老师提示小婷说 可以通过测定液体的密度来进行判断 你能测出它的密度 吗 小婷经过思考 用几种方法测出了未知液体的密度 请你简述小婷的主要测量步骤 并写出测量液体密度的表达式 析 此题题设巧妙 实验器材丰富 实验设计方法开放 能活跃学生的思维 激发学 生的创新能力 分析法设计实验是物理实验设计中常用的方法 方法一析方法一析 由测定物质密度的原理和分析法可知 被测液体的密度 V m 液 液 液 V m 液体的质量 m液可用天平测量 液体的体积 V液无法用量筒测出 若使被测液体的体积 V 液等于已知液体 水的体积 V水 问题便转化成了测水的体积 V水 由密度公式可知被 测水的体积 水的质量 m水可用天平测量 水的密度 水为已知 问题便迎刃 水 水 水 m V 而解 实验步骤如下 a 将天平放在水平工作台面上 调节天平平衡 b 用天平称出空瓶子的质量为 m1 c 往瓶中注满水 用天平称出水和瓶子的总质量为 m2 d 倒出瓶中的水 往瓶中注满待测的液体 用天平称出液体和瓶子的总质量为 m3 e 待测液体的密度为 水液 12 13 mm mm 方法二析方法二析 由液体压强的规律p gh和分析法可知 被测液体的密度 液 gh p 液 体的压强 p液可用压强计测出 压强计的金属盒浸入液体中的深度无法用刻度尺测出 若 使被测液体的深度 h液等于已知液体 水的深度 h水 问题便转化成了测水的深度 h水 被测水的深度 水的压强 p水可由压强计测出 水的密度 水已知 问题便迎 g p h 水 水 水 刃而解 实验步骤 a 往水槽中注入一定深度的水 h水 并在水面标上记号 用压强计测出深度 h水的水 的压强为 p水 b 倒出水槽中的水 往水槽中注入相同深度的液体 h液 用压强计测出相同深度的液 体的压强为 p液 c 待测液体的密度 水 水 液 液 p p 方法三析方法三析 由阿基米德原理 F浮 液gV排和分析法可知 待测液体的密度 物体在液体中受到的浮力可用弹簧测力计测出 物体排开液体的体积 V排无 排 浮 液 gV F 法用量筒测出 若使物体排开液体的体积 V排等于物体排开水的体积 V排水 问题便转化 成了测物体排开水的体积 V排水 被测物体排开水的体积 物体受到水的浮 g F V 水 水 浮 排水 力 F浮水可用弹簧测力计测出 水的密度 水已知 问题便迎刃而解 实验步骤 a 用弹簧测力计测出小石块在空气中的物重为 G b 往水槽中注入适量的水 将小石块浸没在水中 读出弹簧测力计的示数为 F1 c 倒出水槽中的水 往水槽中适量的待测液体 将小石块浸没在液体中 读出弹簧测 力计的示数为 F2 d 被测液体的密度为 水液 1 2 FG FG 五 桥梁法设计实验五 桥梁法设计实验 有一类习题 前面的信息为后面的问题巧妙架设了桥梁 将两个看似不相关的两个问 题 有机地结合在一起 这类习题不仅培养了学生的融会贯通能力 而且培养了学生的创 新能力 桥梁法设计实验是近几年实验设计的一枝新秀 例 5 如图 3 a 所示 将一只小电铃放在玻璃钟罩内 接通电源 可清楚地听到铃声 用抽气机逐渐抽去玻璃钟罩 内的空气 铃声逐渐降低 这个实验说明了 为了说明大气压的存在 小亮同学做了 覆杯 实验 如图 3 b 所示 小明同学提出 硬纸片不掉下来是不是被水 粘 住了 请你设计一个实验方案验证 硬纸片不掉下来是 由于大气压的作用 而不是被水 粘 住 析析 此题首先展现了声音传播条件的实验 再引出 覆 杯 实验 然后提出问题 硬纸片不掉下来是不是被水 粘 住了 这两个实验之间有什么内在联系 它们对实验方案的设 计有什么暗示 研究声音传播条件的实验 说明了声音传播需要传声介质 从而推出真空不能传声 覆杯 实验说明了大气压的存在 怎样才能说明硬纸片不掉下来是由于大气压的作用 而不是被水 粘 住 根据逆向 思维规律 覆杯 实验是由于大气压的存在 若没有大气压 硬纸片将会落下来 怎样 才能使覆杯处在没有大气压的环境中 声音传播条件的实验为我们提供了这一实验保障 答答 将 覆杯 实验的装置悬挂在玻璃钟罩的中间 用抽气机逐渐抽去玻璃钟罩内的 空气 直到硬纸片掉下来 从而说明硬纸片不掉下来是由于大气压的作用 而不是被水 粘 住 例 6 在日常生活中不难发现 晚上 7 点到 9 点 使用的用电器增多 家中电灯要暗 一些 到了夜间 11 点以后 使用的用电器减少 电灯又会变得亮一些 小华同学在实验室中观察到以下现象 实验室中导线的长度比较短 电阻很小 可以 忽略 可是实际的输电电线很长 电阻就大一些 他猜想 灯光变暗可能与输电线的电阻 有关 你认为他的猜想对吗 请你说出理由 设计电路并验证他的猜想 析 在照明电路中 干路导线与用户串联 用户的用电器工作时 所有用户可以看成 是变阻器 在晚上 7 点到 9 点 用户工作的用电器较多 并联电路的支路越多 总电阻越 小 用电器两端的电压就越低 由 P 得 某一用电器 R R U 2 的阻值不变 电压 U 变小 所以灯消耗的功率变小 灯要变 暗一些 反之 到了夜间 11 点以后 电灯又会变得亮一些 根据前面的分析 电路设计如图 4 所示 定值电阻 R0相当于干路导线的电阻 并联部分的灯泡相当于用户的用 电器 灯泡的阻值与 R0的阻值相差不大 依次闭合开关 S1 S2 S3 观察灯泡的亮暗情况 若灯泡逐渐变暗 说明小 华的猜想是正确的 六 探究法设计实验六 探究法设计实验 探究法就是有一定的实验基础 但又缺少直接实验的依据 根据科学研究获得的信息 揭示出它们之间的内在联系 并将可能存在的情况分析出来的研究方法 例 7 人的眼睛像一架神奇的照相机 晶状体相当于照相机的 镜 若来自 远方物体的光 经眼球折光系统折射后成像情况如图 5 所示 根据该图 这个人可配 戴装有 镜的眼镜加以矫正 经研究发现人体中锌含量的高低与近视的发生有关 人体中锌含量的高低可以通过测 定空腹时血清中的锌含量来确定 若要研究这二者的相关性 请你设计完成下列研究过 程 1 将同校同年级的同学按 分为两组 2 3 2 分 探究血清中锌含量的高低和近视的相关性 析与解 此题题设巧妙 把我们 熟视无睹 的眼睛与我们熟悉 的照相机进行对比 再引入视力缺陷可能产生的因素 进而探究视力 缺陷与相关因素的关系 层层递进 既巩固了透镜知识 又联系了生