命題趨勢
近幾年，高考試卷中實驗題發生了明顯的變化，已跳出了課本分組實驗的範圍，不僅延伸到演示實驗中，而且出現了設計型實驗。考試大綱不僅要求考具備紮實的基礎知識，能綜合應用知識解決實際問題，而且還提出「能根據要求靈活地運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器，設計簡單的實驗方案並處理相關的實驗問題」，在物理科《考試說明》中，更明確地把「設計和完成實驗的能力」作為五個考試目標中的乙個目標。
在近兩年的江蘇高考試題中，設計型實驗具有很好的測試效果。全國的高考試題中對實驗的考查也在逐步轉向設計型的實驗，它必將是今後高考物理實驗命題的熱點。
完整的設計乙個實驗，要經歷多個環節，在實際考查中，一般不會考查全部環節，而是只考查其中的幾個環節，有的題目給出條件和實驗器材，要求闡述實驗原理；有的給出實驗電路圖，要求領會實驗原理，確定需測物理量及計算公式；有的則要求考生根據操作步驟及測定的物理量判斷出實驗原理……雖然考查方式不盡相同，但目前高考中幾乎所有的設計型實驗題都有乙個共同點，都是在給出實驗器材的前提下進行考查的，而且都以不同方式或多或少的對實驗原理作一定的提示。
教學目標：
1．通過專題複習，掌握設計性實驗題的分析方法和思維過程，提高解答設計性實驗題的能力。
2．能根據要求靈活運用已學過的自然科學理論、實驗方法和儀器，設計簡單的實驗方案並處理相關的實驗問題
教學內容：
設計性物理實驗，是依據課本中已經出現過的物理實驗的基本原理、所使用的基本器材、以及在這些實驗中學過的有關方法等，根據提供有關的實驗器材以及實驗要求，去設計一些新的實驗方案，並按照實驗設計方案及要求，完成實驗有關內容。
(1)合理性原則：:實驗方案所依據的原理應當符合物理學的基本原理，實驗裝置或電路能夠圓滿完成實驗的要求。
(2)安全性原則：實驗進行的過程中不會對實驗裝置和器材造成損壞，不會對人身造成危害。如每個電路元件上的電流、電壓、電功率不超過元件的額定值，電源的電流不能超過電源允許輸出的最大電流，電壓表、電流錶不能超過其量程。
(3)準確性原則：根據實驗的需要，選用精度合適的測量工具，但對某個實驗來講，精確程度夠用即可，並不是精度越高越好。對各種電表，一般要求它的實際讀數不小於量程的2／3，使用歐姆表進盡可能使指標在中心刻度附近；為減少測量的影響，應選擇內阻較小的電流錶和內阻較大的電壓表。
(4)方便性原則：實驗時需考慮調節方便，便於操作，如滑動變阻器的選擇，既要考慮它的額定電流，又要考慮它有阻值範圍，在二者都能滿足實驗要求的情況下，還要考慮阻值大小對實驗操作中是否調節方便的影響。
實驗設計過程可用下面的框圖表示
解決設計型實驗問題的關鍵是確定實驗原理，它是進行實驗設計的根本依據和起點，它決定應當測量那些物理量、如何安排實驗步驟、如何處理資料等。實驗原理的確定，要根據問題的要求和給出的條件，回顧分組實驗和演示實驗，尋找能夠遷移應用的實驗原理，或者回顧物理原理，尋找有關的物理規律，設法創設相關的物理情景，並根據已掌握的基本儀器核對是否能夠測出必須測定的物理量。因此，掌握基本儀器的使用方法、基本的實驗方法和基本物理原理是解答設計型實驗題的基礎。
四、例題精選
例1、將滿偏電流ig=300μa、內阻未知的電流錶
改裝成電壓表並進行核對．
(1)利用如圖所示的電路測量電流錶的內阻(圖中電源的電動勢e=4v ) 先閉合s1，調節r，使電流錶指標偏轉到滿刻度；再閉合s2，保持r 不變，調節r′，使電流錶指標偏轉到滿刻度的2／3，讀出此時r′的阻值為200ω，則電流錶內阻的測量值rg=
(2)將該錶改裝成量程為3v 的電壓表，需 填「串聯」或「併聯」）阻值為r0的電阻。
(3)把改裝好的電壓表與標準電壓表進行核對，試在答題卡上畫出實驗電路圖和實物連
接圖。【析與解】此題雖然不是半偏法，但與半偏法的原理相似，電流錶指標為2／3，說明流過r′的電流是1／3，因此由併聯電路的分流關係可得電流錶的電阻為r′的電阻的一半。電流錶改裝成電壓表時應串聯乙個分壓電阻r分=(u-ig*rg) ／ig=9900ω。
改裝後的電壓表在校表時應把滑動變阻器接成分壓式接法。
【答案】（1）100 （2）串聯 9900 （3）
【小結】1.本題屬設計性實驗，它用到的原理和電路的選擇均源於學生實驗。考題中的設計性實驗涉及到的原理和實驗的方法也多源於課本。
因此在進行實驗複習時把重點放在實驗的原理和實驗方法及儀器的操作和讀數上。在進行實驗設計時，先根據題目要求和給出的條件，回顧分組實驗和演示實驗，尋找能夠遷移應用的實驗原理。依據類似的實驗確定實驗原理和方法。
這是解決設計性實驗的主要渠道。
2.滑動變阻器的接法在以下三種情況下必須採用分壓式接法：①要求被測部分電壓變化範圍盡可能大(或從零調起) 電壓表或電流錶量程不夠 ③變阻器電阻遠小於被測電阻。
3.實物電路連線時按一定順序並注意規範要求(參照附錄)
例2．從下表中選出適當的器材，設計乙個電路，來測量a1的電阻r1，要求方法簡捷，有盡可能高的測量精度，並測得多組資料。
（1） 畫出電路圖，標明所選用器材的符號。
（2） 若選測量資料中的一組來計算，所選用的表示式為r1式中各符號的物理定義是
【析與解】由於本題要求測電流錶內阻，給出的器材中又有電壓表和電流錶，首先聯想到伏安法測電阻。由於待測電流錶a1的量程i1=10ma。，內阻r1約為40ω，則電流錶a1兩端的最大電壓為u1m=i1m r1=10×10-3×40v=0.
4v。若用量程為10v的電壓表與電流錶a1並聯測電壓，電壓表讀數誤差太大，不符合精確性原則的要求，此電壓表不能選用。既不能直接用伏安法測電流a1的電阻。
注意到電流錶a2的內阻r2=750ω為已知，實驗中流過電流錶a1和電流錶a2電流又可以讀出，就可以想到用分流關係來測量電流錶a1的電阻。再看電流錶a2兩端的最大電壓為u2m=i2m r2=500×10-6×750v=0.375v，併聯使用時兩電流錶的讀數符合準確性原則。
這樣就可以用i1 r1=i2 r2，即r1= i2 r2／i1來計算電流錶a1的電阻。
另外根據實驗的其他要求連成如圖所示電路。
【小結】1.通常在確定實驗的原理時，可把給定的器材能夠測量出的物理量看作已知量，再加上題目直接給出已知量，把要測定的物理量看作末知量，這樣就可以看成乙個同學們熟悉計算題。就可以把此題的結論作為測量的原理。
這是設計性實驗原理確定的又一途徑。
2.本題實質也可以看伏安法電阻的變形。由於電流錶a2的電阻為已知，可由電流錶讀數和電流錶a2的電阻計算出電壓，即把電流錶a2當做電壓表使用，由此電壓和電流錶a1的讀數也可以測量出電流錶a1的電阻。
同理在已知電壓表內阻的情況下，也可以求出流過電壓表的電流，即把已知電阻的電壓表當作電流錶使用。
例3．如圖所示，水平桌面上固定著斜面體a，有小鐵塊b。斜面體的斜面是曲面，由其截面圖可以看出曲線下端剛好在桌子邊沿，並且其切線是水平的。現提供的實驗測量工具只有：
天平，直尺。其他的實驗器材可根據實驗需要自選。現要設計乙個實驗，測出小鐵塊b自斜面頂端由靜止下滑到底端的過程中，摩擦力對小鐵塊b做的功，請回答下列問題：
（1）除提供的器材外，還需選用的器材是
（2）簡要說明要測量的物理量及表示符號
（3）寫出實驗結果的表示式（重力加速度已知
【析與解】物體由曲面頂端下滑到底端的過程中，只有重力和摩擦力做功，二力做功的
代數和等於物體動能的變化量，因此只要測出物體下滑過程中重力的功wg=mgh ，利用平拋運動的有關知識測出物體滑到曲面底端時的速度為v，可得ek=mv2 /2，再利用動能定理： wg－wf= mv2 /2，即可求出摩擦力的功wf = wg－mv2 /2 ，因此本題答案如下：
（1）白紙、複寫紙、重錘
（2）斜面高度h，b的質量m，桌面到水平地面的高度h，b離開桌面它的水平飛行距離s
（3）mgh－mgs2／(4h)=mg(4hh－s2) ／4h)
【小結】本題中物體a下滑至曲面時速度的測量是本題的解題關鍵，解題中運用了「轉換」的思想方法，把不易測量的速度借助已有的經驗來進行測量。要提高設計實驗能力，必須認真體會物理教材上的實驗思想，其實物理教材蘊含大量的實驗設計方法。將某些不易顯示、不易直接測量的物理量轉化為易於顯示、易於測量的物理量的方法稱為轉換法（間接測量法）。
物理中的轉化思想是設計性實驗的乙個基本思想。
設計性實驗題把能力考查提高到前所未有的高度，面對設計性實驗題，學生往往有「滿山是石頭，無處下鋤頭」之感。但是，科任老師如能指導學生做好基本的實驗原理、方法、儀器的複習，同時重點講授實驗的設計思路，提高了學生實踐和創新能力，學生處理設計性實驗題時，自然會抽絲剝繭，水到渠成。
五、能力訓練
1. （2023年高考理綜卷）實驗室中現有器材如實物圖（1）所示，有：電池e，電動勢約10v，內阻約1ω；電流錶a1，量程約10a，內阻1約為0.
2ω；電流錶a2，量程300ma，內阻2約5ω；電流錶a3，量程250ma，內阻3約5ω；電阻箱r1，最大阻值999.9ω，最小阻值改變量為0.1ω；滑線變阻器r2，最大值100ω；開關s；導線若干。
要求用圖（2）所示的電路測量圖中電流錶a的內阻。
（1）在所給的三個電流錶中，那幾個可以用此電路精確測出其內阻？答：
（2）在可測的電流錶中任選乙個作為測量物件，在實物圖上連成測量電路。
（3）你要讀出的物理量是___用這些物理量表示待測內阻的計算公式是 _
圖（1圖（2）
2.要測量一塊多用電表直流10 ma擋的內阻ra (約為40歐)，除此多用電表外，不有下列器材：直流電源乙個(電動勢約為1.
5v，內阻可忽略不計)，電阻一外個(阻值r約為50歐)，電鍵乙個，導線若干。要求：
(1) 寫出實驗步驟：
(2) 給出ra的表示式。
專題27實驗設計及評價
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