高中物理設(shè)計型實驗的探究

高中物理設(shè)計型實驗的探究中學物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，實驗教學貫穿整個教學過程的始終，是物理教學的重頭戲和高考命題的重要組成部分.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。本文就如何進行高中物理設(shè)計型實驗做了以下幾點探究。標簽：高中物理；設(shè)計型實驗；實驗方法；實驗原理；實驗數(shù)據(jù)處理方法設(shè)計型實驗?zāi)軌蚓C合考查學生創(chuàng)造性地應(yīng)用所學知識處理“看似陌生”實驗的能力，那么怎樣培養(yǎng)這一方面的能力呢？掌握教材上實驗的操作過程、儀器的正確使用是基礎(chǔ)、學會類比和知識的遷移才是根本。因為設(shè)計型實驗實際上來源于教材，著重考查考生的遷移能力。一、從實驗方法的角度分析例1.要測量2節(jié)干電池的電源電動勢和內(nèi)阻，給你如下器材：電阻箱、電壓表、量程很小的電流表（內(nèi)阻已知）、另有開關(guān)、導(dǎo)線。請給出兩種測量電源電動勢和內(nèi)阻的方法，畫出實驗電路圖并簡述實驗原理。本題與教材上實驗的區(qū)別是：所給的電流表的量程很小，不能直接使用，即沒有現(xiàn)成的電流表，能否用已給器材改裝成電流表呢？方法一：把小量程的電流表和電阻箱并聯(lián)改裝成大量程的電流表，然后與教材上相同的方法進行測量，實驗原理與教材上相同，如圖2。方法二：本題也可用電阻箱、電壓表組合測量，實驗原理及操作過程略，如圖3。評注：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。二、從實驗原理的角度分析例2.某課題研究小組，收集了數(shù)碼相機、手機等用舊了的各種類型的電池，及從廢舊收音機上拆下的電阻、電容器、電感線圈?，F(xiàn)從這些材料中選取一個待測元件—手機中常用的鋰電池（電動勢E標稱值為3.8V，允許最大放電電流為90mA）。在操作臺上還準備了如下實驗器材：A.電壓表V（量程4V，電阻約為4.0kΩ）B.電流表Al（量程100mA，電阻約為5Ω）C.電流表A2（量程2mA，電阻約為50Ω）D.滑動變阻器R1（O～20Ω，額定電流1A）E.電阻箱（0～999.9Ω，最小分度值0.1Ω）F.開關(guān)S一只、導(dǎo)線若干某同學在測量鋰電池的電動勢E和內(nèi)阻的操作過程中，發(fā)現(xiàn)滑動變阻器R1、電流表Al已損壞，請用余下的器材完成實驗。①請你畫出實驗電路圖（標注所用器材符號）②分析處理數(shù)據(jù)一般采用圖象法，試說明應(yīng)如何建立直角坐標系更便于分析數(shù)據(jù)（即縱、橫坐標各表示什么物理量）？解析：（1）A1、R1已損壞，A2量程太小也不能使用，可用器材只有電壓表、電阻箱及開關(guān)、導(dǎo)線。電路圖為：圖5。（2）根據(jù)閉和短路歐姆定律有：電源的電動勢，如果以電壓和電阻箱的電阻作為縱、橫坐標，圖象很難畫出，而且即使作出圖象，也很難根據(jù)圖象計算電動勢和內(nèi)阻，一般地，線型圖象容易處理數(shù)據(jù)，所以只要把上式進行巧妙變換，可得線型關(guān)系為。以電壓表示數(shù)的倒數(shù)為縱坐標，電阻箱電阻的倒數(shù)為橫坐標建立直角坐標系，圖線為直線。圖線在縱軸上的截距的倒數(shù)為電源的電動勢，圖線的斜率為內(nèi)阻和電動勢的比值。評注：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。三、從實驗數(shù)據(jù)處理方法角度分析例題3.同學們通過查閱資料知道將鋅、銅兩電極插入水果中，電動勢大約會有1伏多一點.現(xiàn)找來了一個土豆做實驗，當用量程為0～3V、內(nèi)阻約50kΩ的伏特表測其兩極時讀數(shù)為0.96V.將四個這樣的水果電池串起來給標值為“3V，0.5A”的小燈泡供電時，燈泡并不發(fā)光.檢查燈泡、線路均沒有故障，而用伏特表測量其電壓確實能達到1V多.據(jù)您猜想，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因應(yīng)當是：____________________________（不要求寫分析、推導(dǎo)過程）.若實驗室除了導(dǎo)線和開關(guān)外，還有以下一些器材可供選擇：A.電流表A1（量程為0～0.6A，內(nèi)阻為1Ω）B.靈敏電流表A2（量程為0～0.6mA，內(nèi)阻為800Ω）C.靈敏電流表A3（量程為0～300μA，內(nèi)阻未知）D.滑動變阻器R1（最大阻值約10Ω）E.滑動變阻器R2（最大阻值約2kΩ）F.定值電阻（阻值2kΩ）G.變阻箱（0～9999Ω）①為了能盡可能準確測定“土豆電池”的電動勢和內(nèi)阻，實驗中應(yīng)選擇的器材是________（填器材前的字母代號）.②畫出應(yīng)采用的電路.思維步步高電池給燈泡供電，燈泡不亮的原因是什么？要想測量電源電動勢及內(nèi)阻，需要測量路端電壓和干路電流，該問題中沒有電壓表，需要怎樣進行處理？電阻箱能夠起到什么作用？解析：電池給燈泡供電，燈泡不亮是因為電路中電流很小，燈泡實際工作的功率很小，要想測量電源電動勢及內(nèi)阻，需要測量路端電壓和干路電流，電流表有提供，要采用量程較小（電路中電阻很大），已知電阻（內(nèi)阻測量值減去電流表內(nèi)阻等于真實值）的電流表，所以選擇靈敏電流表A2.靈敏電流計和電阻箱串聯(lián)后可以當作電壓表使用.評注：本題考查測電池的電動勢和內(nèi)阻實驗、閉合電路歐姆定律等知識，考查邏輯推理能力、分析綜合能力和實驗探究能力.要注意實驗的變形之后仍然從原理出發(fā)分析，找出“新實驗”的原理.總之，考生在遇到設(shè)計型實驗時，如能首先聯(lián)想教材上實驗，找到有哪些異同點，然后再進行實驗思路的構(gòu)想和設(shè)計從而對問題解決提供思路與方法。通過了這樣聯(lián)想類比訓(xùn)練定能有利提高學生實驗思維能力，提高考試應(yīng)變能力，