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第二部分实验设计思想方法提炼感悟·渗透·应用思想方法提炼2003年《考试说明》中对实验能力的表述为：能独立完成“知识内容表”中所列的实验，能明确实验目的，能理解实验原理和方法，能控制实验条件，会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论.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.思想方法提炼实验能力是中学物理教学中必须培养的一项重要能力.由于物理高考只有笔试，许多主要的实验能力和素养很难有效地进行考查，但高考命题的改革与研究应努力使对实验能力和素养的考核渗透到有关的试题中去，努力提高考核实验的有效程度，那么考核学生设计实验的能力，在近几年高考物理实验命题中，愈来愈明确.思想方法提炼设计实验能逼真地模拟操作过程，对实验原理进行延伸和灵活应用，拓宽了对物理规律的应用和考查.可以预料，2004年高考实验题的命题趋向将继续深化、拓宽、创新.即深化对基础实验、基本测量包括新仪器(以前出现过单刀双掷开关，变压器抽头线圈等)的考查，考查基本实验能力和理解、推理的能力，拓宽考查范围.用“学过的实验方法”，“学过的仪器”进行新的实验，考查迁移能力，通过对基本实验的变形改造、更新，将实验的操作性考查过渡为设计性考查，即设计实验.思想方法提炼1.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.思想方法提炼2.实验设计的基本方法(1)明确目的，联系已学知识.实验目的：即该实验是要求测定什么物理量、验证、探索什么规律，是实验设计的出发点.明确了目的后，要认真的思索、想想该物理量或物理规律在哪些内容中出现过，与哪些有关的物理现象、物理量、物理规律有联系，特别是对于探索型实验，更应注意广泛的联系，有关现象原理等的迁移.思想方法提炼(2)选择方案，简便精确每一个实验设计，皆是开放式的，其方案的选取往往是有几种，甚至是更多种方案.在众多的实验方案中，我们如何选择?通常来说，选择方案有以下几个原则：①科学性原则：即实验方案中所依据的原理应遵循符合已学过的物理规律，且要求选用的规律要简明、正确.方案中的操作程序应具有科学性.(符合实验规则的具体要素)思想方法提炼②安全性原则：即按方案实施中，应力保实验人员的安全，并对实验的器材不造成危害，如电学中的仪表的量程、电源电动势大小，滑动变阻器的选取等.③精确性原则：即力保该方案的实验误差应是允许误差范围之内.如“伏安法”测电阻，内外接法的选取等，这就要求：从仪器的精确度、原理的选取力争更为与该实验的目标相匹配，还有就是数据处理方案的选取.如:多次测量求平均值等.思想方法提炼④方便、直观性原则：方案的实施，要使操作性强、易于操作，仪器方便选取，实验中比较容易观察，且效果明显，便于得出实验结论.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：滑线变阻器，当限流和分压都行时，要选取限流接法.思想方法提炼(3)依据方案，选定器材.实验方案选定之后，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，这些物理量分别需要用什么仪器来测定，从而确定整个实验需要哪些器材.思想方法提炼(4)拟定步骤，合理有序.实验之前，要做到心中有数：即实验装置如何配置，所测物理量的先后次序等.拟定一个合理操作，又高效的有序的实验步骤.附：在实验中，对一些可直接测量的物理量可先行测量.思想方法提炼(5)数据处理，误差分析.减少误差的措施有很多：主要是从实验的原理上要求，以及实验器材的限制上等.另外数据的处理往往采用(平均值法、逐差法、等效替代法、图像法等).感悟·渗透·应用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.变换实验目的：同样的实验器材和方法可以达到不同的实验目的.如：1996年上海高考题中把伏安法测电阻变成测陶瓷管上均匀电阻膜的厚度.感悟·渗透·应用【例1】(1996年上海高考题)如图5-31所示，P是一根表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管(其长度l为50cm左右，直径D为10cm左右).镀膜材料的电阻率已知，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，开关S和若干导线.感悟·渗透·应用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：L、D、U、I②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：DUILd感悟·渗透·应用【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=①困难在于找出厚度d与截面积S有何关系?学生以前通常接触的导体模型都是实心圆导体，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.SL感悟·渗透·应用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D.由于膜很薄，d≈0，故D与平均周长(D-d/2)相差甚微.因此它的截面积:S=Dd②解①②得到d=DUIL感悟·渗透·应用实验中应测定的物理量是L、D、U、I；测量电路如图5-33所示.本题也可用另一种思路求S：S=R2-r2=(R+r)(R-r),∵d《D，∴R+r→2R=D;而R-r=d，这样，S=Dd.感悟·渗透·应用【解题回顾】有些学生能够写出S=R2-r2，但无法摆脱r不是已知条件的束缚，缺乏物理思想中的辩证思维习惯，因而得不出S=Dd.感悟·渗透·应用2.变换实验原理：根据不同的实验原理可以达到相同的实验目的.例如：学生实验用伏安法测电阻的原理是部分电路的欧姆定律，而1998年高考题中却设计了依据闭合电路的欧姆定律测电阻的实验.3.变换实验器材：利用不同的实验器材也可以完成相同的实验任务.如可利用万用电表测电阻(1995年高考)，也可以利用电流表和电压表测电阻(1996年)，还可以利用一个定值电阻和电流表测电阻(1999年)，利用一只电流表和两个阻值已知的定值电阻可以用来测电池的电动势(2002年全国高考).感悟·渗透·应用【例2】(2000年全国高考题)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，并能测得多组数据.感悟·渗透·应用(1)在虚线方框中画出电路图，标明所用器材的代号.(2)若选测量数据中的一组来计算r1，则所用的表达式为r1=，式中各符号的意义是：.感悟·渗透·应用【解析】该题为电路设计型实验，要求选择适当的器材组成测量电流表内阻的电路，要求有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据.求解该题时，首先要把被测电流表(A1)等效为可显示电流值的电阻，该题成败的关键在于器材的选择，选择器材应遵循三个原则：可行、精确、方便.测量电路有两种可能的连接方式：感悟·渗透·应用①采用伏安法测电阻：即将电压表(V)与电流表(A1)并联，测出电流表(A1)的电压U和电流I1，由r1=U/I1即可求出r1，然而被测电流表(A1)允许加的电压在0～0.4V之间，而电压表量程为10V，故电压表的读数误差较大，从精确这一原则来看，此方法应舍去.②采用比较法测电阻：即将电流表与电流表并联，利用并联电路电压相等的特点得：I1r1=I2r2，即可求出r1=(I2/I1)r2，式中，I1、I2分别是电流表A1、A2的读数，r1、r2分别是电流表A1、A2的电阻，这种设计可以使两电流表的读数同时接近满刻度，满足实验对测量精度的要求，另外这种设计还要求克服电流表不能并联这一思维定势的影响.感悟·渗透·应用设计电路的基本方法首先是选择电路，然后再考虑电路连接问题.本题中，R1、R2、E、S、导线若干必须要选.问题出在是选用电流表(A2)还是选用电压表(V)因为电池的电动势为1.5V，而电压表(V)的量程为10V，若选用电压表(V)，则电压表(V)上最大读数约为，读数仅是电压表(V)量程的4.3%，读数误差太大，所以不选电压表(V)，而选用电流表(A2),而题中让测电流表(A1)内阻，选用电流表(A2)，只有两表并联，对变阻器接法限流、分压均可，VrrRE43.040100405.1111感悟·渗透·应用实验电路如图5-34所示.