1、十 设计性实验命题趋势近几年，高考实验题发生了明显的变化，已跳出了课本分组实验的范围，不仅延伸到演示实验中，而且出现了设计型实验。关于试验能力提出了“能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题”，在理科综合考试说明中，更明确地把“设计和完成实验的能力”作为五个考试目标中的一个目标。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。完整的设计一个实验，要经历多个环节，在实际考查中，一般不会考查全部环节，而是只考查其中的几个环节，有的题目给出条件和实验器材，要求阐述实验原理；有的给出实验电路图
2、，要求领会实验原理，确定需测物理量及计算公式；有的则要求考生根据操作步骤及测定的物理量判断出实验原理虽然考查方式不尽相同，但目前高考中几乎所有的设计型实验题都有一个共同点，都是在给出实验器材的前提下进行考查的，而且都以不同方式或多或少的对实验原理作一定的提示。教学目标：1通过专题复习，掌握设计性实验题的分析方法和思维过程，提高解答设计性实验题的能力。2能根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题教学重点：掌握设计性实验题的分析方法和思维过程，提高解答设计性实验题的能力。教学难点：能根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的
3、实验方案并处理相关的实验问题教学方法：讲练结合，计算机辅助教学教学过程：一、知识概要中学的设计型实验一般要求考生根据题目提出的目的要求和给出的器材，设计出实验方案。这类题对考生的要求较高，要求考生能将课本中分组实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，要求考生深刻理解物理概念和规律，并能灵活运用，要求考生有较强的创新能力。1设计原则（1）正确性：实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理。（2）安全性：实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对仪器及人身造成危害。要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流。（3）方便性：实验应当便于操作，便于读数
4、，便于进行数据处理。（4）精确性：在实验方案、仪器、仪器量程的选择上，应使实验误差尽可能的小。2设计思路实验设计可用下面的框图表示题目要求和给出的条件演示和分组实验的实验原理物理规律和原理基本仪器的使用知识需测物理量和所需器材实验步骤数据处理实验原理解决设计型实验问题的关键是确定实验原理，它是进行实验设计的根本依据和起点，它决定应当测量那些物理量、如何安排实验步骤、如何处理数据等。实验原理的确定，要根据问题的要求和给出的条件，回顾分组实验和演示实验，寻找能够迁移应用的实验原理，或者回顾物理原理，寻找有关的物理规律，设法创设相关的物理情景，并根据已掌握的基本仪器核对是否能够测出必须测定的物理量。
5、因此，掌握基本仪器的使用方法、基本的实验方法和基本物理原理是解答设计型实验题的基础。二、考题回顾1（04年理综湖南卷22，18分）用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（9001000）：电源E，具有一定内阻，电动势约为9.0V；电压表V1，量程为1.5V，内阻r1=750；电压表V2，量程为5V，内阻r2=2500；滑线变阻器R，最大阻值约为100；单刀单掷开关K，导线若干。（1）测量中要求电压表的读数不小于其量程的，试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图（原理图中的元件要用题图中相应的英文字母标注）。（2）根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线。（3）若电压表V1的读数用U1表示，电压
6、表V2的读数用U2表示，则由已知量和测得量表示Rx的公式为Rx=_。 解：（1）如图 或（2） （3）或2（2000年全国高考卷）从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A1的内阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测出多组数据。器材（代号）规格电流表（A1）量程10mA、内阻r1待测（约40）电流表（A2）量程500A、内阻r2=750电压表（V）量程10V、内阻r3=10k电阻（R1）阻值约为100、做保护电阻用滑动变阻器（R2）总阻值约为50电源（E）电动势1.5V、内阻很小开关（S2）、电线若干（1）画出电路图，标明所用器材的代号。（2）若选测量数据中的一组来计算r
7、1，则所用的表达式为r1= ，式中各符号的意义是： 。解答：（1）如下图所示的两个图中任一个均可 （2），I1、I2分别表示通过电流表A1和A2的电流，r1、 r2分别是它们的电阻。分析：题中直接判定必选的器材是电池E，电键K，导线若干。由A1量程是10 mA，r1约为40，E是电动势1.5 V，可判定必须再选电阻R1，滑动变阻器R2作为限流，才保证通过A1的电流不至于超过10 mA。要测A1的电阻，通过A1的电流值I1可由A1读出，只要能测出A1两端的电压U1，则可求出r1=.测电压要用电压表，但是若将电压表与A1并联，电流表A1上的电压最多是1=r1=40 V=0.43V，而电压表的量程是
8、10 V，对0.43 V的电压来说，电压表的指针只是稍微偏转了一点点，这样测得的阻值误差太大.不符合题目要求，因而不能用电压表测电压。而电流表A2的内阻r2知道，通过电流表A2的电流I2可以读出，因而A2两端的电压2=22.若将A1与2并联，则2即A1两端的电压，由此可以求出A1的内阻r1=，式中1是A2、A1并联时通过A1的电流，滑动变阻R2限流，分压接法均可。3（04上海）小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大.某同学为研究这一现象，用实验得到如下数据（I和U分别表示小灯泡上的电流和电压）：I（A）0.120.210.290.340.380.420.450.470.490.50U（V）0.2
9、00.400.600.801.001.201.401.601.802.00（1）在左下框中画出实验电路图. 可用的器材有：电压表、电流表、滑线变阻器（变化范围010）、电源、小灯泡、电键、导线若干.（2）在右图中画出小煤泡的UI曲线.（3）如果某一电池的电动势是1.5V，内阻是2.0.问：将本题中的灯泡接在该电池两端，小灯泡的实际功率是多少？（简要写出求解过程；若需作图，可直接画在第（2）小题的方格图中）解答：（1）见下图（2）见下图（3）作出U=图线，可得小灯泡工作电流为0.35安，工作电压为0.80伏，因此小灯泡实际功率为0.28瓦4（1996 年上海）（转换法）如图所示，P 是一根表面均
10、匀地镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管（其长度 L 为 50 cm左右，直径 D 为 10 cm 左右），镀膜材料的电阻率已知，管的两端有导电箍 MN.现给米尺，电压表 V，电流表 A ，电源E，滑动变阻器 R，电键 S 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）在虚线框内用符号画出测量电路图.（3）计算膜层厚度的公式是_.解答：（1）L，D，U，I （2）电流表内外接均可，如图（3）d= 5（04年上海）下图为一测量灯泡发光强度的装置.AB是一个有刻度的底座，两端可装两个灯泡，中间带一标记线的光度计可在底座上移动，通过观察可以确定两边灯泡在光度
11、计上的照度是否相同，已知照度与灯泡的发光强度成正比、与光度计到灯泡的距离的平方成反比.现有一个发光强度为I0的灯泡a和一个待测灯泡b.分别置于底座两端（如图）.（1）怎样测定待测灯泡的发光强度Ix？ （2）简单叙述一个可以减小实验误差的方法。 .解答：（1）接通电源，移动光度计使两边的照度相同，测出距离r1和r2，即可得待测灯泡的发光强度 （2）测量多次求平均三、典题例析AhBCD【例题1】有一个同学用如下方法测定动摩擦因数：用同种材料做成如图所示的AB、BD平面，其中AB为一斜面，其高为h、长为L1，BD是一足够长的水平面，两面在B点以小弧形光滑连接。现让质量为m的小物块从A点由静止开始下滑
12、，到达B点后顺利进入水平面，最后滑到C点而停止，并测出BC=L2，小物块与两个平面的动摩擦因数相同，由以上数据可以求出物体与平面间的动摩擦因数= 。解题方法与技巧：该题为设计型实验，但由于给出了实验装置、器材和实验情景，因此对实验原理已有了很多提示。回顾力学分组实验，没有相关的可以迁移的原理。因此要用物理原理分析题给的实验情景。设斜面的倾角为，根据动能定理，在全过程中mgh mgcosL1 -mgL2=0，题中未给出斜面倾角，寻找别的关系，有 解得【例题2】（2001年高考理综卷）实验室中现有器材如实物图（1）所示，有：电池E，电动势约10V，内阻约1；电流表A1，量程约10A，内阻1约为0.
13、2；电流表A2，量程300mA，内阻2约5；电流表A3，量程250mA，内阻3约5；电阻箱R1，最大阻值999.9，最小阻值改变量为0.1；滑线变阻器R2，最大值100；开关S；导线若干。要求用图（2）所示的电路测量图中电流表A的内阻。（1）在所给的三个电流表中，那几个可以用此电路精确测出其内阻？答： 。（2）在可测的电流表中任选一个作为测量对象，在实物图上连成测量电路。（3）你要读出的物理量是_。用这些物理量表示待测内阻的计算公式是 _ 。 图（1） 图（2）解题方法与技巧：该题要求根据电路图设想出实验原理。属于有一定提示的设计型实验。与我们学过的伏安法测电阻相比较，这里被测电阻是电流表的内
14、阻，它能显示出通过自身的电流，因此只要知道其上的电压就行，但没有电压表，却有另一只电流表。根据电路图可以看出，如果图中表A是被测表，则其上电压就是电阻箱上电压，利用两只电流表的读数差和电阻箱上显示的阻值可以求出该电压，这样就可以求出电流表的电阻。（1）电流表A1不能精确测出其内阻，因这时图中的电流表A应为A2、A3中的一只，这使得电流表A1中的电流不能超过300mA，其指针的偏转极其微小，误差很大。而A2、A3可用此电路精确测出其内阻。（2）若测3，实物连线如图所示。（3）根据前面的分析，要读出的物理量是A、A两电流表的示数I、I和电阻箱的阻值R1，待测内阻的计算公式是点评：该题是分组实验原理
15、迁移型的实验题，是高考实验题中常出现的一种。因此在做设计型实验题时，首先应回顾分组实验的实验原理，看看是否有迁移的可能。该题实际上是用比较法测电阻，比较待测电流表和电阻箱上的电流，从而比较出待测电流表的电阻。【例题3】（1999年高考上海卷）现有一阻值为10.0的定值电阻、一个开关、若干根导线和一个电压表，该电压表表面上有刻度但无刻度值，要求设计一个能测定某电源内阻的实验方案（已知电压表内阻很大，电压表量程大于电源电动势，电源内阻约为几欧）要求：（1）在右边方框中画出实验电路图：（2）简要写出完成接线后的实验步骤；（3）写出用测得的量计算电源内阻的表达式= 。解题方法与技巧：在分组实验中有测定
16、电源的电动势和内电阻的实验，我们从该实验知道测定电源的电动势和内电阻，至少应使电源连接不同负载两次，然后利用全电路欧姆定律求解。但现在只有一个定值电阻可用作负载；另外，应由电流表和电压表两个表，但现在只有一只电压表，而且是没有刻度值的；不过考虑到电压表电阻很大，而且题目只要求测出电源的内阻，应该有变通的办法。（1）我们可以把断路也作为一种负载状态，实验电路如图所示。S断开时，因电压表内阻远大于电源内阻，可认为是断路状态，S闭合时，又是一种负载状态。（2）实验步骤如下：按电路图连接好电路。在开关S断开状态下读出电压表指针所在处的分度格数n1.闭合开关S，读出电压表指针所在处的分度格数n2.（3）
17、设电压表每一小分度表示的电压为U0。S断开时，有 E=n1U0S闭合时，有解以上两式，得【例题4】（2000上海卷）如图所示为一实验小车中利用光电脉冲测量车速和行程的装置示意图。A为光源，B为光电接收器，A、B均固定在车身上，C为小车的车轮，D为与C同轴相连的齿轮。车轮转动时，A发出的光束通过旋转齿轮上齿的间隙后变成脉冲光信号，被B接收并转换成电信号，由电子电路记录和显示。若实验显示单位时间内脉冲数为n，累计脉冲数为N，则要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量和数据是 ，小车速度的表达式为v= ；行程的表达式为= 。解题方法与技巧：这是一道以实际问题为背景的实验题，显然无法通过迁移课本实验中
18、的方法来解决。但是题目给出了装置图，该图及题文中的相关说明给我们一定提示，光束原来是连续的，是转动的齿轮使光束变为脉冲，因此脉冲情况必定与齿轮（或车轮）的转动有关，也就与速度和行程有关。根据速度的意义和车正常行驶的情况，应有v=2R f，其中R为车轮的半径，f为单位时间内车轮转过的圈数；若车轮的齿数为P，则转一圈应有P个脉冲被B接收到，因此有，代入上式，有。同样，根据行程的意义，应有，其中f为整个行程中车轮转过的圈数；而，所以。可见，还必须测量的物理量和数据是车轮的半径R和齿轮齿数P，速度和行程的表达式如上面两式所示。【例题5】实验室有一个可拆变压器，请设计一个实验方案，估测出变压器原、副线圈
19、的匝数，所给实验器材有：一个可拆变压器、交流电压表、直流电源、滑线变阻器，小磁针、200 V 交流电源 、电键各一个、铜漆包线（规格与变压器原线圈所用漆包线相同）及导线若干.解题方法与技巧：依图（a）连接电路，然后将小磁针的N极靠近原线圈的一端，根据偏转情况判定线圈的绕向.按照与原线圈相同的绕向，用铜漆包线在原线圈上加绕n（例如100）匝，将加绕后的线圈接入220 V交流电路（如图（b）所示），读出交流电压表的示数U1拆除加绕的n匝线圈，仍将原线圈接入220 V交流电路，闭合电键后，读出交流电压表的示数U2，则有= = 得：n1=n，n2=n【例题6】给你下列器材：待测电压表（量程为3 V，内
20、阻RV约几千欧），电阻箱、滑线变阻器、蓄电池、电键、导线若干。请设计测定电压表内阻的实验方案。解题方法与技巧：按图连接电路，把变阻器R滑到b端，将电阻箱R0调到零，闭合开关S，调节变阻器R的滑臂P，使电压表的示数为3 V；调节电阻箱R的阻值，使电压表的示数为1.5 V；记下此时电阻箱的阻值R.断开开关S，拆除电路，则被测电压表的内阻RV=R。点评：通过以上几个例题，可以概括归纳出设计性实验题的基本解法如下：1、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
21、现过，与哪些物理现象有关，与哪些物理量有直接的联系.对于测量型实验，被测量通过什么规律需用哪些物理量来定量地表示；对于验证型实验，在相应的物理现象中，怎样的定量关系成立，才能达到验证规律的目的；对于探索型实验，在相应的物理现象中， 涉及哪些物理量这些都是应首先分析的，以此来确定实验的原理.2、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.一般说来，依据不同的实验原理选择不同的实验方案主要遵循四条原则：（1）科学性：设计的方案有科学的依据和正确的方式，符合物理学的基本原理.（2）可行性：按设计方案实施时，应安全可靠不会对人身、器材造成危害；所需
22、装置和器材要易于置备，且成功率高.（3）精确性：在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的方案.（4）简便、直观性：设计方案应便于实验操作，读数，便于进行数据处理，便于实验者直观、明显地观察.3、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.4、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.5、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
23、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.四、能力训练1如图所示，将轻弹簧放在凹形轨道上，一端与轨道的相应端固定，轨道放在水平桌面的边缘上，桌边悬一重锤。利用该装置可以找出弹簧压缩时具有的弹性势能与压缩量之间的关系。（1）为完成实验，还需那些器材？答： 。（2）如果在实验中，得到弹簧压缩量x和小球离开桌面后的水平位移s的一些数据如下表，则得到的实验结论是： 。实验次数1234x/cm2.003.004.005.00s/cm29.2045.0560.5275.402有一只电压表量程已知，内阻为 RV，另有一电池（电动势未知，但不超过电压表的量
24、程，内阻可忽略）.请用这只电压表和电池，再用一个电键和一些连接用的导线，设计测量某一高值电阻 Rx的实验方法.（已知 Rx 的值与 RV 相差不大）（1）在虚线框中画出电路图.（2）简要写出测量步骤和需记录的数据，导出高值电阻 Rx 的计算式.3校医务室有一台测体重的台秤，一只篮球，一张白纸，一盆水，请设计一个实验方法，粗略测出篮球击地时对地的冲击力.4某同学用自来水龙头做测重力加速度的实验，他把金属盘放在水龙头正下方1m处，调节开关，使一滴水刚落在盘中时，另一滴水刚好从龙头处开始下落，这两滴水之间没有其他水滴.从某一滴水落入盘中时开始计时，并计数为1，共测 3 分钟，刚好400滴水落入盘中.
25、（1）写出此同学用水滴测重力加速度的实验原理.（2）计算其实验测得的重力加速度值. 5（1997年全国）某电压表的内阻在20 k50 k之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可选用器材：待测电压表V（量程3 V），电流表A1（量程200 A），电流表A2（量程5 mA），电流表A3（量程0.6 ），滑动变阻器R（最大阻值1 k），电源E（电动势4 V），电键S. （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，要求测量多组数据，试在图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）.参考答案：1（1）白纸、复写纸、刻度尺 （2）弹性势能与压缩量的平方成正比2（
26、1）如图所示（2）先将电压表、电池、电键按图（a）电路接好，闭合电键，读出电压表示数U1，则U1=E；再将电压表依图（b）连成电路，闭合电键，记下电压表示数U2，则E=U2+Rx.由以上两式解出 Rx=RV3若使篮球击在台秤上进行测量，则一方面无法保证冲击地面，秤面的力一样，另一方面球对秤面的冲击力是瞬时的，无法读取测量值.由于篮球击在平面上，它产生的冲击力的大小与篮球和地面接触处形变量大小有关，因此，只要记录球击中地面时形变量大小就可以通过模拟的方式再演现出来。如图所示，将白纸铺在地面上，将篮球放入盛水的盆中弄湿；让球拍击地面上白纸，并留下球的水印。再将有水印的纸铺在台秤秤面上，将球放在水印中心，用力缓慢压球，当球发生的形变刚好与水印吻合时，台秤的读数即为冲击时冲击力的大小。4依题意可知，相邻的两滴水落入盘中的时间间隔即为一滴水下落时间t，t=，T为总时间，N为下落水滴数.由自由落体公式：h=gt2，则g=代入数据g= m/s2=9.83m/s25（1）A1 （2）如图所示由于电源电动势E=4 V，电压表内阻最大50 k，故电流最小值I=A=80A，A2、A3量程都太大，故选A1；由于RV在20 k50 k之间，远大于滑动变阻器的阻值1 k，故应连成分压电路。
