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1、- 1 -定量实验设计（力学部分） 实验设计探究题作为北京中考中的必考题，要求答题者会根据探究目的和已有条件设计实验、能正确使用仪器、能设计实验数据表格，全面考察学生的实验探究能力，是中考的热点也是难点。而学生在答题过程中有时不得要领，解答不规范顾此失彼，丢分较多。本文分析研究了力学探究设计题的一般解题思路和解答方法，并结合历届中考题中的典型题加以具体说明。1、题目特点与解答方法探究实验方案是服务于探究问题的，设计实验就是从操作的角度把探究的想法具体化、程序化。因此，在解答时切忌盲动套题背题，而是应该先审题，再设计，最后书写。一般做法是先分析该探究要解决什么问题，根据现有条件选择哪种方法，然后
2、确定器材以及构思出操作步骤，并写出相应的实验数据记录表。（1）分析要点，设计措施 首先要分析题目，实验过程中要用控制变量法，所以要先分析“三个量”控制变量、自变量和因变量，并围绕这“三个量”利用器材进行设计，为之后的步骤书写做好准备。1）从题干入手：审题时抓住“证明”这句话，确定研究的是什么问题，确定本次实验的控制变量，自变量和因变量。2）根据器材设计测量手段：根据所给的实验器材来设计测量自变量和因变量的方法，明确需要测量和记录的物理量。3） “仿照测量”体现控制变量法：在仿照测量时，要交代保持控制变量不变的措施和改变自变量的措施。（二）实验步骤的规范表达设计实验题步骤的表达要规范、完整、注意
3、细则，要点如下：1）对测量仪器进行调节（天平、电表、弹簧测力计）2）组装（电路图、力学器材装置图）3）对实验前初始状态的交代，实验操作步骤要规范，比如：调节杠杆水平平衡，用弹簧测力计拉物体匀速直线运动等。4）要有“用什么仪器” ， “测什么物理量” ， “用什么物理量的符号表示” ，及“记录在数据表格中”的叙述。5）对于间接测量，要写出利用直接测量数据求待测量的依据或公式。 “用公式计算出并记录在表格中” 1、步骤模版实验步骤可以概括为：一连；二测；三变；四仿照；五计算。具体内容如下：第步：测量前的准备，包含三方面的内容：1、对测量仪器进行调节。2、组装。3、对实验前器材的初始状态，实验操作中
4、应注意的地方要有交代。第步：进行第一次实验，测量第一组实验数据，并记录。- 2 -第步：改变自变量，保持控制变量不变，完成第二组测量，并记录。第步：仿照步骤，改变自变量，保持控制变量不变，测量后四组实验数据，并记录。第步：利用公式计算因变量或自变量，并记录（如果不需要计算，则此步不用写） 。2、关于实验数据记录表 1)设计的目的：有序记录实验数据，用于根据实验数据计算实验结果及规范有效地交流。 2）实验表格表头格式为：物理量（符号）/单位（符号） ， 自变量、中间变量（计算自变量或因变量的物理量） 、因变量。由于因变量是最后测量或计算出来的，应该写在表格的最后一行。控制变量归在中间变量里，计算
5、时如果用到就记录，用不到就不记录。（三）这类题目的进一步变化：1）在探究主题方面拓展内容，研究“变化量” 。如：当杠杆平衡，动力臂和阻力臂不变时，动力的增加量和阻力的增加量成正比。一般来说处理数据时，加了计算“变化量”的步骤，难度不大。2）在实验设计方面增加难度，因变量（或自变量）的测量手段“非常规” 。实验提供的器材不是常规的测量方法，如用杠杆测拉力（或浮力） ，用天平测浮力等。其实认真分析会发现，最终采用的测量手段学生在平时的学习备考过程中见过，只不过是备考不充分，方法不熟悉或心慌意乱想不到。要想做好这种题，不要盲目地练综合题，而是要注意在学习过程中加强基础知识与基本能力，注意总结质量、密
6、度、体积、压强、浮力等物理量的各种测量方法，这样才能在考场上从容不迫的结合给出的器材和物理知识研究出测量方法。二、典型例题及解析【例 1】(09 年中考）实验台上有组装好的实验装置，如图 1 所示，其中弹簧测力计的量程为 05N。另外还有质量均为 100g 的钩码六个（图中未画出） 。要求利用上述实验装置和钩码设计一个实验证明：用动滑轮提升重物时，如果动滑轮的机械效率不变，则有用功跟总功成正比。请写出主要实验步骤。解析：这道题体现了 实验设计题 “先设计后测量 ”的特点，如果考生忽视了“控制变量 ”机械效率不变而改变了钩码个数，则徒劳无功一分不得。1）明确实验目的 “动滑轮的机械效率不变，则有
7、用功跟总功成正比 ”。控制变量：动滑轮的机械效率保持不变，措施：不能更换钩码个数和动滑轮。自变量：总功，因变量：有用功。2）改变自变量总功的方法：由于动滑轮重和物体重都不变，所以拉力也不变，只能改变绳子自由端移动的距离，利用 W 总 =Fs，计算出各次的总功。测量因变量： W 有用 =Gh。3）后 5 次测量时，不更换钩码个数和动滑轮，改变绳子自由端移动的距离4）注意操作的规范： 用弹簧测力计竖直向上拉，使物体匀速升高。- 3 -参考答案：实验步骤：（1）在动滑轮钩上挂 2 个钩码，用弹簧测力计竖直向上匀速拉绳子自由端。2 个钩码的总质量用 m 表示，绳子自由端所受拉力用 F 表示，绳子自由端
8、移动的距离用 s 表示，钩码上升的高度用 h 表示。将 m 的数值记录在表格中，用弹簧测力计测出 F，用刻度尺分别测出 s、h，并把测量数据记录在表格中。（2）保持动滑轮所挂钩码个数不变，依次改变绳子自由端移动的距离 s，仿照步骤（1）再做5 次实验，将各次的 m 数值记录在表格中，分别测量各次的 F、s、h，并把各次的测量数据记录在表格中。（3）利用 W 总 =Fs，计算出各次的总功，用 W 有用 =Gh=mgh，计算出各次的有用功，并将各次的总功、有用功记录在表格中。【例2】 （2011年中考第36题）实验桌上有满足实验需要的如下器材：天平、砝码、体积不同的铝块、细线、大烧杯、量筒、水。请
9、你利用上述器材设计一个实验证明：浸在水中的物体所受的浮力大小跟物体排开水的体积成正比。请你写出实验步骤，画出实验数据记录表。解析：课堂演示实验或学生实验都是用弹簧测力计测力，现在如何用天平（测质量的工具）测浮力是解决问题的关键，虽然没有做过一样的题，但是用天平测浮力的方法却出现过， 2011年西城区一模和朝阳二模都出现过，早在 07年的 37题实验题也出现过。关键点解决了余下的就是考查实验步骤的完整性逻辑性和规范性了。1）明确实验目的 “浸在水中的物体所受的浮力大小跟物体排开水的体积成正比 ”。控制变量：液体密度不变，由于只用水，所以不用考虑。自变量：排开水的体积，因变量：浮力。2）改变自变量
10、 V 排 的方法：增加铝块浸入水中的体积，用量筒读出即可。测量因变量浮力：这是本题的难点，由于器材限制，只能用天平测浮力， 用天平测铝块排开的水的质量 m 排 ，利用 F 浮 =G 排 =m 排 g 算出浮力。3）换用不同体积的铝块 改变 V 排 ，始终用水 保证液体密度不变4）注意操作的规范： 铝块不接触烧杯3） 表格中应该有：自变量 V 排 ，因变量 F 浮 ，以及计算它们的直接测量量水的体积 V0，铝块浸没后量筒示数 V，水和烧杯的总质量 m0，铝块浸没在烧杯中天平示数 m答案：实验步骤：（1）在量筒中注入适量的水，读出此时水的体积 V0；用细线把一个铝块拴好，使其浸没在量筒内的水中，此
11、时量筒中水面对应的刻度值用 V 表示；将 V0、 V 的数据记在实验数据记录表中。 （2）在烧杯中注入适量的水，用调节好的天平测出烧杯和水的总质量 m0的数据，并记在实验- 4 -数据记录表中；将步骤（1）中用细线拴好的铝块悬挂并浸没在天平左盘上的烧杯内的水中，铝块不接触烧杯，在天平右盘添加适量的砝码，移动游码，天平再次平衡时，天平右盘中砝码的总质量与游码所对刻度值之和用 m 表示，将 m 的数据记在实验数据记录表中。 （3）换 用 体 积 不 同 的 铝 块 ， 仿 照 步 骤 （ 1） 、 （ 2） 再 做 5次 实 验 ， 依 次 读 出 它 们 浸 没 在 量 筒 的 水 中 时 ，水
12、 面 对 应 的 刻 度 值 V 的 数 据 ； 分 别 测 出 相 应 的 每 个 铝 块 悬 挂 并 浸 没 在 烧 杯 的 水 中 时m 的 数 据 ； 分 别 将 每 次的 V、 m 的 数 据 记 在 实 验 数 据 记 录 表 中 。 （4）根据 V 排 V V0， F 浮 mg m0g 分别计算出6次的 V 排 和 F 浮 的数据，并分别记在实验数据记录表中。实验数据记录表V0/m3 V/m3V 排 /m3 m0/kgm/kgF 浮 /N三、练习提高练习 1、 （2011 顺义一 37）实验桌上提供了 6 个 50g 附有挂钩的金属块，05N 的弹簧测力计一个，适量的水和满足实验
13、要求的量筒。请你利用提供的实验器材，设计实验证明：水对物体的浮力与物体排开水的体积成正比。写出实验步骤并设计实验数据的记录表格。 （6 分）37实验步骤: （4 分）（1）在量筒中倒入适量的水，读出量筒中水的体积 Vo并记录在表格中；（2）在调节好的弹簧测力计的挂钩上，挂上 6 个金属块，测出 6 个金属块的总重为 G 并将数据记录在表格中；（3）手提弹簧测力计，使其中的一个金属块浸没水中，且不碰杯壁和杯底，测出金属块所受拉力 F1，读出此时量筒中水的体积 V1，将 F1的示数和 V1记录在表格中；（4）手提弹簧测力计，使其中的两个金属块浸没水中，且不碰杯壁和杯底，测出金属块所受拉力 F2，读
14、出此时量筒中水的体积 V2，将 F2的示数和 V2记录在表格中；（5）仿照步骤（4） ，将 36 个金属块依次浸没水中，且不碰杯壁和杯底，分别测出为 F3 F6；读出此时量筒中水的体积分别为 V3 V6，并记录数据在表格中； （6）根据 V 排 =V V0和 F 浮 =G F 拉 分别计算金属块排开水的体积 V 排 1 V 排 6及所受的浮力F 浮 1F 浮 6并将数据记录在表格中；实验数据的记录表格：（1 分）- 5 -Vo/m3V/m3V 排 /m3G/NF 拉 /NF 浮 /N练习 2、实验桌上有如下器材：细长平底试管一支（已知底面积为 S） 、小汤匙一个、抹布一块、刻度尺一把、大水槽一
15、个（水槽的深度大于平底试管的高度） 、足量的水、足量的细沙子、天平及配套砝码。要求从实验桌上选择适当的器材，设计一个实验证明：平底试管在水中竖直漂浮时所受的浮力大小跟排开水的体积成正比。要求：写出主要的实验步骤并设计记录实验数据的表格。答案：主要实验步骤：把天平放在水平桌面上，调节天平平衡，将试管的底面积 S 记录在表格中。（1）用药匙取适量的细沙装入试管，将试管放入盛有水的水槽中，使试管竖直漂浮在水面上静止，用刻度尺测出试管浸入水中的长度 h1；用抹布擦干试管，用天平测出细沙和试管的总质量m1；将 m1、h 1记录在表格内。（2）用药匙再取适量的细沙装入试管，再将试管放入盛有水的水槽中，使试
16、管竖直漂浮在水面上静止；用抹布擦干试管，用刻度尺测出试管浸入水中的长度 h2，用天平测出细沙和试管的总质量 m2；将 m2、h 2记录在表格内。（3）仿照步骤（2）再做 4 次实验，每次向试管内增加适量的细沙，用刻度尺测出每次试管浸入水中的长度 h3、h 4、h 5、h 6，用天平测出细沙和试管的总质量 m3、m 4、m 5、m 6；并将数值记录在表格内。（4）利用 V 排 =Sh，求出每次排开水的体积 V 排 1V 排 6，根据物体漂浮时 F 浮 G 物 =mg，算出试管每次漂浮时所受的浮力 F 浮 1F 浮 6，并将数值记录在表格内。S/m2m/kgh/mp/pa- 6 -练习 3、(2011 海
