高中物理設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

PAGE設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)命題趨勢(shì)近幾年，高考實(shí)驗(yàn)題發(fā)生了明顯的變化，已跳出了課本分組實(shí)驗(yàn)的范圍，不僅延伸到演示實(shí)驗(yàn)中，而且出現(xiàn)了設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。關(guān)于試驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽恕澳莒`活地運(yùn)用已學(xué)過(guò)的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問(wèn)題”，在理科綜合《考試說(shuō)明》中，更明確地把“設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)的能力”作為五個(gè)考試目標(biāo)中的一個(gè)目標(biāo)。在上海的高考試題中，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)具有很好的測(cè)試效果。全國(guó)的高考試題中對(duì)實(shí)驗(yàn)的考查也在逐步轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)，它必將是今后高考物理實(shí)驗(yàn)命題的熱點(diǎn)。完整的設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，要經(jīng)歷多個(gè)環(huán)節(jié)，在實(shí)際考查中，一般不會(huì)考查全部環(huán)節(jié)，而是只考查其中的幾個(gè)環(huán)節(jié)，有的題目給出條件和實(shí)驗(yàn)器材，要求闡述實(shí)驗(yàn)原理；有的給出實(shí)驗(yàn)電路圖，要求領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)原理，確定需測(cè)物理量及計(jì)算公式；有的則要求考生根據(jù)操作步驟及測(cè)定的物理量判斷出實(shí)驗(yàn)原理……雖然考查方式不盡相同，但目前高考中幾乎所有的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題都有一個(gè)共同點(diǎn)，都是在給出實(shí)驗(yàn)器材的前提下進(jìn)行考查的，而且都以不同方式或多或少的對(duì)實(shí)驗(yàn)原理作一定的提示。由于考查環(huán)節(jié)和要求的不同，題型也不盡相同，但較多的是選擇、填空、作圖題。知識(shí)概要中學(xué)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)一般要求考生根據(jù)題目提出的目的要求和給出的器材，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案。這類題對(duì)考生的要求較高，要求考生能將課本中分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法遷移到新的背景中，要求考生深刻理解物理概念和規(guī)律，并能靈活運(yùn)用，要求考生有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力。1．設(shè)計(jì)原則（1）正確性：實(shí)驗(yàn)原理所依據(jù)的原理應(yīng)當(dāng)符合物理學(xué)的基本原理。（2）安全性：實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施要安全可靠，實(shí)施過(guò)程中不應(yīng)對(duì)儀器及人身造成危害。要注意到各種電表均有量程、電阻均有最大允許電流和最大功率，電源也有最大允許電流。（3）方便性：實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)便于操作，便于讀數(shù)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。（4）精確性：在實(shí)驗(yàn)方案、儀器、儀器量程的選擇上，應(yīng)使實(shí)驗(yàn)誤差盡可能的小。2．設(shè)計(jì)思路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可用下面的框圖表示題目要求和給出的條件題目要求和給出的條件演示和分組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理物理規(guī)律和原理基本儀器的使用知識(shí)需測(cè)物理量和所需器材實(shí)驗(yàn)步驟數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)原理解決設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的關(guān)鍵是確定實(shí)驗(yàn)原理，它是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)和起點(diǎn)，它決定應(yīng)當(dāng)測(cè)量那些物理量、如何安排實(shí)驗(yàn)步驟、如何處理數(shù)據(jù)等。實(shí)驗(yàn)原理的確定，要根據(jù)問(wèn)題的要求和給出的條件，回顧分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)，尋找能夠遷移應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)原理，或者回顧物理原理，尋找有關(guān)的物理規(guī)律，設(shè)法創(chuàng)設(shè)相關(guān)的物理情景，并根據(jù)已掌握的基本儀器核對(duì)是否能夠測(cè)出必須測(cè)定的物理量。因此，掌握基本儀器的使用方法、基本的實(shí)驗(yàn)方法和基本物理原理是解答設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題的基礎(chǔ)。點(diǎn)撥解疑AhBCD圖1【例題1】有一個(gè)同學(xué)用如下方法測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù)：用同種材料做成如圖1所使得AB、BD平面，其中AB為一斜面，其高為h、長(zhǎng)為L(zhǎng)1，BD是一足夠長(zhǎng)的水平面，兩面在B點(diǎn)以小弧形光滑連接。現(xiàn)讓質(zhì)量為m的小物塊從A點(diǎn)由靜止開(kāi)始下滑，到達(dá)B點(diǎn)后順利進(jìn)入水平面，最后滑到C點(diǎn)而停止，并測(cè)出BC=L2AhBCD圖1【點(diǎn)撥解疑】該題為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，但由于給出了實(shí)驗(yàn)裝置、器材和實(shí)驗(yàn)情景，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)原理已有了很多提示?；仡櫫W(xué)分組實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有相關(guān)的可以遷移的原理。因此要用物理原理分析題給的實(shí)驗(yàn)情景。設(shè)斜面的傾角為，根據(jù)動(dòng)能定理，在全過(guò)程中mgh–μmgcos·L1-μmgL2=0,題中未給出斜面傾角，尋找別的關(guān)系，有解得D為與C同軸相連的齒輪。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A發(fā)出的光束通過(guò)旋轉(zhuǎn)齒輪上齒的間隙后變成脈沖光信號(hào)，被B接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電子電路記錄和顯示。若實(shí)驗(yàn)顯示單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)為n，累計(jì)脈沖數(shù)為N，則要測(cè)出小車的速度和行程還必須測(cè)量的物理量和數(shù)據(jù)是，小車速度的表達(dá)式為v=；行程的表達(dá)式為=。圖6【點(diǎn)撥解疑】這是一道以實(shí)際問(wèn)題為背景的實(shí)驗(yàn)題，顯然無(wú)法通過(guò)遷移課本實(shí)驗(yàn)中的方法來(lái)解決。但是題目給出了裝置圖，該圖及題文中的相關(guān)說(shuō)明給我們一定提示，光束原來(lái)是連續(xù)的，是轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪使光束變?yōu)槊}沖，因此脈沖情況必定與齒輪（或車輪）的轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)，也就與速度和行程有關(guān)。圖6根據(jù)速度的意義和車正常行駛的情況，應(yīng)有v=2πRf，其中R為車輪的半徑，f為單位時(shí)間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)；若車輪的齒數(shù)為P，則轉(zhuǎn)一圈應(yīng)有P個(gè)脈沖被B接收到，因此有，代入上式，有。同樣，根據(jù)行程的意義，應(yīng)有，其中f為整個(gè)行程中車輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)；而，所以。可見(jiàn)，還必須測(cè)量的物理量和數(shù)據(jù)是車輪的半徑R和齒輪齒數(shù)P，速度和行程的表達(dá)式如上面兩式所示。針對(duì)訓(xùn)練1．（1999全國(guó)）圖7為測(cè)量電阻的電路，Rx為待測(cè)電阻，R的阻值己知，Rˊ為保護(hù)電阻，阻值未知。電源E的電動(dòng)勢(shì)未知，K1、K2均為單刀雙擲開(kāi)關(guān)。A為電流表，其內(nèi)阻不計(jì)。圖7（1）按圖（a）所示的電路，在圖（b）的實(shí)物圖上連線。（2）測(cè)量Rx的步驟為：將K2向d閉合，K1向__________閉合，記下電流表讀數(shù)I1，再將K2向c閉合，K1________向閉合，記電流表讀數(shù)I2。計(jì)算Rx的公式是Rx=__________2．（2002年高考上海卷）已知一個(gè)區(qū)域的地下埋有一根與地表面平行的直線電纜，電纜中通有變化的電流，在其周圍有變化的磁場(chǎng)，因此可以通過(guò)在地面上測(cè)量閉合試探小線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定電纜的確切位置、走向和深度。當(dāng)線圈平面平行地面測(cè)量時(shí)，在地面上a、c兩處測(cè)得試探線圈中的電動(dòng)勢(shì)為零，b、d兩處的電動(dòng)勢(shì)不為零，當(dāng)線圈平面與地面成45°夾角時(shí)，在b、d兩處測(cè)得試探線圈中的電動(dòng)勢(shì)為零。經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)：a、b、c、d恰好位于邊長(zhǎng)為1m的正方形的四個(gè)頂角上，如圖8所示，據(jù)此可以判斷地下電纜在兩點(diǎn)連線的正下方，離地表面的深度為m。3．如圖9所示，將輕彈簧放在凹形軌道上，一端與軌道的相應(yīng)端固定，軌道放在水平桌面的邊緣上，桌邊懸一重錘。利用該裝置可以找出彈簧壓縮時(shí)具有的彈性勢(shì)能與壓縮量之間的關(guān)系。（1）為完成實(shí)驗(yàn)，還需那些器材？答：。（2）如果在實(shí)驗(yàn)中，得到彈簧壓縮量x和小球離開(kāi)桌面后的水平位移s的一些數(shù)據(jù)如下表，則得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：。實(shí)驗(yàn)次數(shù)1234x/cm2.003.004.005.00s/cm29.2045.0560.5275.404．（2000年全國(guó)高考卷）從下表中選出適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)一電路來(lái)測(cè)量電流表A1的內(nèi)阻r1，要求方法簡(jiǎn)捷，有盡可能高的測(cè)量精度，并能測(cè)出多組數(shù)據(jù)。（1）畫出電路圖，標(biāo)明所用器材的代號(hào)。（2）若選測(cè)量數(shù)據(jù)中的一組來(lái)計(jì)算r1，則所用的表達(dá)式為r1=，式中各符號(hào)的意義是：。器材（代號(hào)）規(guī)格電流表（A1）量程10mA、內(nèi)阻r1待測(cè)（約40Ω）電流表（A2）量程500μA、內(nèi)阻r2=750Ω電壓表（V）量程10V、內(nèi)阻r3=10kΩ電阻（R1）阻值約為100Ω、做保護(hù)電阻用滑動(dòng)變阻器（R2）總阻值約為50Ω電源（E）電動(dòng)勢(shì)1.5V、內(nèi)阻很小開(kāi)關(guān)（S2）