解析物理实验中的设计性实验

解析物理实验中的设计性实验

发表时间：2010-07-14T14:44:32.950Z 来源：《魅力中国》2010年3月第3期作者：武文昌

[导读]

（河北望都中学，河北望都 072450）

中图分类号： F713.8 文献标识码： A 文章编号：1673-0992（2010） 03-128-02

摘要：所谓设计性实验，是指在学生掌握基本实验原理的基础上，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。

关键词：设计性实验；基本思路；基本方法

设计性实验，就是题目要求学生运用学过的实验方法，自行设计一个新的实验方案，它要求学生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法以及分析实验误差等。主要考查学生是否理解实验原理和实验仪器的使用，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情况下迁移知识的能力。设计性实验对学生的能力要求较高。

一、设计实验的基本思路

1.依据问题的要求、条件，联想相关的实验模型。

2.确定实验原理，筛选实验方案。

3.确定所要测量的物理量及实验步骤，选择实验器材。

4.做好数据处理、误差分析。

二、实验设计的基本方法

（一）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，这些都是应首先分析的，以此来确定实验的原理。

（二）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。一般来说，依据不同的实验原理选择不同的实验方案主要遵循五条原则：

1．科学性：设计的方案应有科学的依据及正确的方案。

(1)方案中所依据的原理应遵循物理规律，且要求选用的规律简明、正确。

(2)方案中所安排的步骤应有合理的顺序，其操作符合实验规则要求。

(3)方案中进行数据处理及误差分析应依据科学的研究方法。

2．安全性：按设计方案实施时，应安全可靠，不会对仪器、器材造成危害。

(1)选用器材时，应考虑仪器、器材性能及量值的要求。

(2)设计方案时，应安排保护措施。

3．精确性：实验误差应控制在误差允许范围之内，尽可能选择误差较小的方案。

(1)在安装器材时或使用仪器之前，应按实验要求对器材、仪器精心调整。

(2)选用合适的测量工具及合适的量值范围，使之与被测数值相匹配。

(3)针对试验中可能出现的因操作而带来的偶然误差，往往多次重复实验，获取多组实验数据、结果，以备选取有效信息、数据。

(4)设计合理的数据处理方式。

4．简便性、直观性：设计实验应便于操作、读数，便于进行数据处理，便于实验者直观、明显地观察。

5．节约性原则：即方案实施中，要考虑成本及仪器的损耗等等。如：滑动变阻器，当限流和分压都行时，要选取限流接法。

（三）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。

（四）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。

（五）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。

三、设计实验的主要思想方法

高考设计实验在设计思想、原理、方法和技巧上不断创新，试题在设计上的变化主要有以下几种类型：

1.模拟法

在进行物理研究时，有时受客观条件的限制，无法对某些自然现象进行实验，此时，我们人为地创造一定的条件和因素，使之与自然现象有一定的相似特征，从而在模拟的情况下进行实验。如：

(1)我们可利用易测量的电流场模拟静电场方便地进行研究。

(2)雨后天空出现彩虹现象，我们可以用棱镜对光的色散来模拟彩虹，从而达到研究的目的。

2.转换法

将对一个物理量（不易测）的测量转化为对另一物理量（易测）的测量，这种转化方法称为转换法。转换法在高中物理实验中应用比较广泛。如：

(1)在测量金属电阻率的实验中，可用直尺、螺旋测微器分别直接测出金属丝的长度、直径，并将金属电阻丝接入电路，直接用电表测量电阻两端电压和电流，再运用欧姆定律、电阻定律间接测出金属电阻率。

(2)在测定匀变速直线运动的加速度（a）时，利用运动学规律： ,将对加速度（a）的测量转化为对位移（s）和时间（T）的直接测量。

3.累积法（放大法）

把某些难以直接测量的微小物理量累积后测量，可大大提高测量的精度，这种方法叫累积法。如：(1)在“用单分子油膜法测分子直径实验”中，可以利用滴管向量筒滴200～300油滴，量出其体积，把此测量结果除以油滴滴数，即得每滴油的体积。

(2)在“用单摆测重力加速度”中我们测单摆的周期就是用秒表测它完成50次全振动的时间再除以50得到的，且大大减小误差。

4.比较法

在物理实验中，常通过对一些物理现象或物理量的比较，从而达到异中求同或同中求异的目的，这种研究方法为比较法。比较法最明显的优点是：尽量少进行直接测量，多运用比较的方法，以此减少由于测量仪器的不准确而带来的误差。如：在进行光谱分析时，将某种未知物质的明线光谱或吸收光谱与元素的特征光谱进行比较、观察，异中求同，即可鉴别物质或确定它的化学组成，这也是运用比较法的典型作法。

5.控制变量法

在三个以上因素可以变化的试验中，为了找出它们之间的关系，排除干扰，可以先保持一些量不变，而观察其中一个量的变化对另一个物理量的影响，这种方法叫控制变量法。如：

（1）在“验证牛顿第二定律”的实验中，先控制质量不变，研究加速度与力之间的关系，然后控制力不变，研究加速度和质量之间的关系，最后得到三者的关系。

（2）在“验证电阻定律”实验中，先控制材料和横截面积不变，研究电阻和长度之间的关系，然后控制长度和横截面积不变，研究电阻和材料之间的关系，再控制长度和材料不变，研究电阻和横截面积之间的关系，最后得到四者的关系。

6.留迹法

把瞬息即逝的现象通过留下某种痕迹记录下来的方法叫留迹法。如：（1）在“用描迹法画出电场中平面上的等势线”和“验证动量守恒定律”实验中是用复写纸留迹的。（2）“研究平抛物体的运动”的实验是用铅笔留迹，从而描绘出物体的运动轨迹。

7.等效法

当某一物理量不能或不易直接测量时，如果可以用另一个物理量代替它而又不影响问题的实质，我们就可以接受这种方案，这种方法叫等效法。如：

（1）在“验证动量守恒定律”实验中我们用水平位移代替速度。

（2）在电路设计中用“等效替代”思维测电阻。

总之，实验设计题是对实验的知识和能力综合考查，只有对实验目的、原理，器材的选择、安装、测试、操作、步骤及实验数据的记录、处理、实验误差分析和得出结论等方面掌握比较好的基础上，才能顺利完成设计实验。参考文献：

[1]M 曲一线，5年高考3年模拟，北京：首都师范大学出版社，2005.6

[2]M王后雄，高考完全解读，广西:接力出版社，2006.7