08高考物理设计性实验复习专题
命题趋势
近几年，高考试卷中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。考试大纲不仅要求考具备扎实的基础知识，能综合应用知识解决实际问题，而且还提出“能根据要求灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题”，在物理科《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。
在近两年的江苏高考试题中，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，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
教学内容：
一、什么是设计性物理实验
设计性物理实验，是依据课本中已经出现过的物理实验的基本原理、所使用的基本器材、以及在这些实验中学过的有关方法等，根据提供有关的实验器材以及实验要求，去设计一些新的实验方案，并按照实验设计方案及要求，完成实验有关内容。
二、设计性实验的设计原则
(1)合理性原则：:实验方案所依据的原理应当符合物理学的基本原理，实验装置或电路能够圆满完成实验的要求。
(2)安全性原则：实验进行的过程中不会对实验装置和器材造成损坏，不会对人身造成危害。如每个电路元件上的电流、电压、电功率不超过元件的额定值，电源的电流不能超过电源允许输出的最大电流，电压表、电流表不能超过其量程。
(3)准确性原则：根据实验的需要，选用精度合适的测量工具，但对某个实验来讲，精确程度够用即可，并不是精度越高越好。对各种电表，一般要求它的实际读数不小于量程的2／3，使用欧姆表进尽可能使指针在中心刻度附近；为减少测量的影响，应选择内阻较小的电流表和内阻较大的电压表。
(4)方便性原则：实验时需考虑调节方便，便于操作，如滑动变阻器的选择，既要考虑它的额定电流，又要考虑它有阻值范围，在二者都能满足实验要求的情况下，还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响。
三、设计思路
实验设计过程可用下面的框图表示
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。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。
四、例题精选
例1、将满偏电流Ig=300μA、内阻未知的电流表
改装成电压表并进行核对．
(1)利用如图所示的电路测量电流表 的内阻(图中电源的电动势E=4V )
：先闭合S1，调节R，使电流表指针偏转到满刻度；再闭合S2，保持R 不变，调节R′，使电流表指针偏转到满刻度的2／3，读出此时R′的阻值为200Ω，则电流表内阻的测量值Rg= Ω。
(2)将该表改装成量程为3V 的电压表，需 （填“串联”或“并联”）阻值为R0= Ω的电阻。
(3)把改装好的电压表与标准电压表进行核对，试在答题卡上画出实验电路图和实物连
接图。
【析与解】此题虽然不是半偏法，但与半偏法的原理相似，电流表指针为2／3，说明流过R′的电流是1／3，因此由并联电路的分流关系可得电流表的电阻为R′的电阻的一半。电流表改装成电压表时应串联一个分压电阻R分=(U-Ig*Rg) ／Ig=9900Ω。改装后的电压表在校表时应把滑动变阻器接成分压式接法。
【答案】（1）100 （2）串联 9900 （3）
【小结】1.本题属设计性实验，它用到的原理和电路的选择均源于学生实验。考题中的设计性实验涉及到的原理和实验的方法也多源于课本。因此在进行实验复习时把重点放在实验的原理和实验方法及仪器的操作和读数上。在进行实验设计时，先根据题目要求和给出的条件，回顾分组实验和演示实验，寻找能够迁移应用的实验原理。依据类似的实验确定实验原理和方法。这是解决设计性实验的主要渠道。
2.滑动变阻器的接法在以下三种情况下必须采用分压式接法：①要求被测部分电压变化范围尽可能大(或从零调起) ②电压表或电流表量程不够 ③变阻器电阻远小于被测电阻。
3.实物电路连接时按一定顺序并注意规范要求(参照附录)
例2．从下表中选出适当的器材，设计一个电路，来测量A1的电阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并测得多组数据。
| 器 材 | 规 格 |
| 电流表A1 电流表A2 电压表（V） 电阻R1 滑动变阻器（R2） 电池（E） 电键K 导线若干 | 量程10mA内阻r1待测（约40Ω） 量程500μA内阻r2=750Ω 量程10V内阻r3=10kΩ 阻值约100Ω保护电阻 总阻值约50Ω 电动势1.5V，内阻很小 |
（1） 画出电路图，标明所选用器材的符号。
（2） 若选测量数据中的一组来计算，所选用的表达式为r1＝___________，式中各符号的物理定义是：___________。
【析与解】由于本题要求测电流表内阻，给出的器材中又有电压表和电流表，首先联想到伏安法测电阻。由于待测电流表A1的量程I1=10mA。，内阻r1约为40Ω，则电流表A1两端的最大电压为U1m=I1m r1=10×10-3×40V=0.4V。若用量程为10V的电压表与电流表A1并联测电压，电压表读数误差太大，不符合精确性原则的要求，此电压表不能选用。既不能直接用伏安法测电流A1的电阻。
注意到电流表A2的内阻r2=750Ω为已知，实验中流过电流表A1和电流表A2电流又可以读出，就可以想到用分流关系来测量电流表A1的电阻。再看电流表A2两端的最大电压为U2m=I2m
r2=500×10-6×750V=0.375V，并联使用时两电流表的读数符合准确性原则。这样就可以用I1
r1=I2 r2，即r1= I2 r2／I1来计算电流表A1的电阻。
另外根据实验的其他要求连成如图所示电路。
【小结】1.通常在确定实验的原理时，可把给定的器材能够测量出的物理量看作已知量，再加上题目直接给出已知量，把要测定的物理量看作末知量，这样就可以看成一个同学们熟悉计算题。就可以把此题的结论作为测量的原理。这是设计性实验原理确定的又一途径。
2.本题实质也可以看伏安法电阻的变形。由于电流表A2的电阻为已知，可由电流表读数和电流表A2的电阻计算出电压，即把电流表A2当做电压表使用，由此电压和电流表A1的读数也可以测量出电流表A1的电阻。同理在已知电压表内阻的情况下，也可以求出流过电压表的电流，即把已知电阻的电压表当作电流表使用。
例3．如图所示，水平桌面上固定着斜面体A，有小铁块B。斜面体的斜面是曲面，由其截面图可以看出曲线下端刚好在桌子边沿，并且其切线是水平的。现提供的实验测量工具只有：天平，直尺。其他的实验器材可根据实验需要自选。现要设计一个实验，测出小铁块B自斜面顶端由静止下滑到底端的过程中，摩擦力对小铁块B做的功，请回答下列问题：
（1）除提供的器材外，还需选用的器材是________________。
（2）简要说明要测量的物理量及表示符号________________。
（3）写出实验结果的表达式（重力加速度已知）________________。
【析与解】物体由曲面顶端下滑到底端的过程中，只有重力和摩擦力做功，二力做功的
代数和等于物体动能的变化量，因此只要测出物体下滑过程中重力的功WG=mgh ，利用平抛运动的有关知识测出物体滑到曲面底端时的速度为v，可得Ek=mv2 /2，再利用动能定理： WG－Wf= mv2 /2，即可求出摩擦力的功Wf = WG－mv2 /2 ，因此本题答案如下：
（1）白纸、复写纸、重锤
（2）斜面高度h，B的质量m，桌面到水平地面的高度H，B离开桌面它的水平飞行距离s
（3）mgh－mgs2／(4H)=mg(4Hh－s2) ／(4H)
【小结】本题中物体A下滑至曲面时速度的测量是本题的解题关键，解题中运用了“转换”的思想方法，把不易测量的速度借助已有的经验来进行测量。要提高设计实验能力，必须认真体会物理教材上的实验思想，其实物理教材蕴含大量的实验设计方法。将某些不易显示、不易直接测量的物理量转化为易于显示、易于测量的物理量的方法称为转换法（间接测量法）。物理中的转化思想是设计性实验的一个基本思想。
设计性实验题把能力考查提高到前所未有的高度，面对设计性实验题，学生往往有“满山是石头，无处下锄头”之感。但是，科任老师如能指导学生做好基本的实验原理、方法、仪器的复习，同时重点讲授实验的设计思路，提高了学生实践和创新能力，学生处理设计性实验题时，自然会抽丝剥茧，水到渠成。
五、能力训练
1. （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1Ω；电流表A1，量程约10A，内阻
1约为0.2Ω；电流表A2，量程300mA，内阻2约5Ω；电流表A3，量程250mA，内阻3约5Ω；电阻箱R1，最大阻值999.9Ω，最小阻值改变量为0.1Ω；滑线变阻器R2，最大值100Ω；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）
2.要测量一块多用电表直流10 mA挡的内阻RA (约为40欧)，除此多用电表外，不有下列器材：直流电源一个(电动势约为1.5V，内阻可忽略不计)，电阻一外个(阻值R约为50欧)，电键一个，导线若干。要求：
(1) 写出实验步骤：
(2) 给出RA的表达式。
3. 用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（900～1000Ω）：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=750Ω；电压表V2，量程为5V，内阻r2=2500Ω；滑线变阻器R，最大阻值约为100Ω；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=_________________。
4.如图所示，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 50 cm左右，直径 D 为 10 cm 左右），镀膜材料的电阻率ρ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_______.
5.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。
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