设计性试验

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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

⑸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。

⑹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：

①正确性：即实验方案所依据的原理要简明、正确；

②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；

③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;

④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μ=

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=gsinθ—μgcosθ

从而有：μ=tgθ—a/ gsinθ

因此必须知道tgθ、sinθ、和加速度a。

因为tgθ=h/d, sinθ=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μ= 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ρ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=ρL/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πD。由于膜很薄，

故πD与平均周长π（D-d/2）相差甚微。因此它的截面

积S=πDd

解得d=LρI/πDU

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R V，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R x（和R V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R x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2—3毫米的粗细均匀的直玻璃管，内有一段长约8—10厘米的水银柱封闭一段长约12—15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。

⑴若要测量Rx的值，R至少需要取个不同的数值；⑵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；

⑶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。

⑴简要说明实验的设计思想；

⑵简要说明测量的重要步骤与测量的物理量；

⑶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）请你简要写出还未完成的主要操作步骤，并用字母表达出相应的测量值。

①闭合电键S1，电键S2接2，调节R P和R P’，使电压表读数接近满量程，读出电压表和电流表读数I2、V2。

②保持R P不变，。

（2）请你推导出待测电阻R的表达式。

（3）用线把实物图7按电路图连成测量电路。