高中物理設(shè)計型實驗

PAGE設(shè)計型實驗命題趨勢近幾年，高考實驗題發(fā)生了明顯的變化，已跳出了課本分組實驗的范圍，不僅延伸到演示實驗中，而且出現(xiàn)了設(shè)計型實驗。關(guān)于試驗?zāi)芰μ岢隽恕澳莒`活地運用已學(xué)過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題”，在理科綜合《考試說明》中，更明確地把“設(shè)計和完成實驗的能力”作為五個考試目標(biāo)中的一個目標(biāo)。在上海的高考試題中，設(shè)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(zhuǎn)向設(shè)計型的實驗，它必將是今后高考物理實驗命題的熱點。完整的設(shè)計一個實驗，要經(jīng)歷多個環(huán)節(jié)，在實際考查中，一般不會考查全部環(huán)節(jié)，而是只考查其中的幾個環(huán)節(jié)，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(lǐng)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(jù)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(shè)計型實驗題都有一個共同點，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。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。知識概要中學(xué)的設(shè)計型實驗一般要求考生根據(jù)題目提出的目的要求和給出的器材，設(shè)計出實驗方案。這類題對考生的要求較高，要求考生能將課本中分組實驗和演示實驗的實驗原理、實驗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，并能靈活運用，要求考生有較強的創(chuàng)新能力。1．設(shè)計原則（1）正確性：實驗原理所依據(jù)的原理應(yīng)當(dāng)符合物理學(xué)的基本原理。（2）安全性：實驗方案的實施要安全可靠，實施過程中不應(yīng)對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：實驗應(yīng)當(dāng)便于操作，便于讀數(shù)，便于進行數(shù)據(jù)處理。（4）精確性：在實驗方案、儀器、儀器量程的選擇上，應(yīng)使實驗誤差盡可能的小。2．設(shè)計思路實驗設(shè)計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驗的實驗原理物理規(guī)律和原理基本儀器的使用知識需測物理量和所需器材實驗步驟數(shù)據(jù)處理實驗原理解決設(shè)計型實驗問題的關(guān)鍵是確定實驗原理，它是進行實驗設(shè)計的根本依據(jù)和起點，它決定應(yīng)當(dāng)測量那些物理量、如何安排實驗步驟、如何處理數(shù)據(jù)等。實驗原理的確定，要根據(jù)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(yīng)用的實驗原理，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(shè)計型實驗題的基礎(chǔ)。點撥解疑AhBCD圖1【例題1】有一個同學(xué)用如下方法測定動摩擦因數(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、長為L1，BD是一足夠長的水平面，兩面在B點以小弧形光滑連接?，F(xiàn)讓質(zhì)量為m的小物塊從A點由靜止開始下滑，到達B點后順利進入水平面，最后滑到C點而停止，并測出BC=L2AhBCD圖1【點撥解疑】該題為設(shè)計型實驗，但由于給出了實驗裝置、器材和實驗情景，因此對實驗原理已有了很多提示?；仡櫫W(xué)分組實驗，沒有相關(guān)的可以遷移的原理。因此要用物理原理分析題給的實驗情景。設(shè)斜面的傾角為，根據(jù)動能定理，在全過程中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)動時，A發(fā)出的光束通過旋轉(zhuǎn)齒輪上齒的間隙后變成脈沖光信號，被B接收并轉(zhuǎn)換成電信號，由電子電路記錄和顯示。若實驗顯示單位時間內(nèi)脈沖數(shù)為n，累計脈沖數(shù)為N，則要測出小車的速度和行程還必須測量的物理量和數(shù)據(jù)是，小車速度的表達式為v=；行程的表達式為=。圖6【點撥解疑】這是一道以實際問題為背景的實驗題，顯然無法通過遷移課本實驗中的方法來解決。但是題目給出了裝置圖，該圖及題文中的相關(guān)說明給我們一定提示，光束原來是連續(xù)的，是轉(zhuǎn)動的齒輪使光束變?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為單位時間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)；若車輪的齒數(shù)為P，則轉(zhuǎn)一圈應(yīng)有P個脈沖被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為整個行程中車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)；而，所以?？梢?，還必須測量的物理量和數(shù)據(jù)是車輪的半徑R和齒輪齒數(shù)P，速度和行程的表達式如上面兩式所示。針對訓(xùn)練1．（1999全國）圖7為測量電阻的電路，Rx為待測電阻，R的阻值己知，Rˊ為保護電阻，阻值未知。電源E的電動勢未知，K1、K2均為單刀雙擲開關(guān)。A為電流表，其內(nèi)阻不計。圖7（1）按圖（a）所示的電路，在圖（b）的實物圖上連線。（2）測量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。計算Rx的公式是Rx=__________2．（2002年高考上海卷）已知一個區(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，因此可以通過在地面上測量閉合試探小線圈中的感應(yīng)電動勢來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量時，在地面上a、c兩處測得試探線圈中的電動勢為零，b、d兩處的電動勢不為零，當(dāng)線圈平面與地面成45°夾角時，在b、d兩處測得試探線圈中的電動勢為零。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)：a、b、c、d恰好位于邊長為1m的正方形的四個頂角上，如圖8所示，據(jù)此可以判斷地下電纜在兩點連線的正下方，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具有的彈性勢能與壓縮量之間的關(guān)系。（1）為完成實驗，還需那些器材？答：。（2）如果在實驗中，得到彈簧壓縮量x和小球離開桌面后的水平位移s的一些數(shù)據(jù)如下表，則得到的實驗結(jié)論是：。實驗次數(shù)1234x/cm2.003.004.005.00s/cm29.2045.0560.5275.404．（2000年全國高考卷）從下表中選出適當(dāng)?shù)膶嶒炂鞑?，設(shè)計一電路來測量電流表A1的內(nèi)阻r1，要求方法簡捷，有盡可能高的測量精度，并能測出多組數(shù)據(jù)。（1）畫出電路圖，標(biāo)明所用器材的代號。（2）若選測量數(shù)據(jù)中的一組來計算r1，則所用的表達式為r1=，式中各符號的意義是：。器材（代號）規(guī)格電流表（A1）量程10mA、內(nèi)阻r1待測（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、做保護電阻用滑動變阻器（R2）總阻值約為50Ω電源（E）電動勢1.5V、內(nèi)阻很小開關(guān)（S2）