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1、九年级物理实验设计专题指导九年级物理实验设计专题指导【本讲主要内容本讲主要内容】 实验设计专题指导 如何提高实验探究能力？考试要求的第 1、2 条是： 第 1 条：会根据探究目的和已有条件设计实验 第 2 条：会正确使用仪器【知识掌握知识掌握】 【知识点精析知识点精析】 实验设计是实验探究的核心，解答这类题目的关键包括思路与表达两个方面。实验设 计的基本思路如下： 1. 识别变量，并对变量进行操作定义；2. 操作各种变量，选择控制技术；3. 确定实验所需的材料和设备，设计实验步骤；4. 设计数据记录表。实验设计的表达可以有多种形式，但必须抓住以下核心要点，把要点表达清楚：1. 自变量是怎样改变
2、的；2. 自变量是怎样测量的；3. 因变量是怎样测量的；4. 控制变量是怎样控制的。 任何一个要点没有表达清楚都会被扣分。【解题方法指导解题方法指导】 例 1. 小明在室温环境下探究影响导体电阻大小的因素，他采用控制变量法，所需要的导 体材料如下表所示。请帮助小明完成下列三个问题。 （1）为了研究导体电阻跟导体材料有关，小明应选用的两根导线是 。 （2）为了研究导体电阻跟导体长度有关，小明应选用导线 C 和导线 。 （3）如果小明选用导线 A 和导线 D，则可用来研究导体的电阻跟导体的 有关。分析与解：分析与解：本题考查的重点是区分变量和控制变量法。 在问题（1）中，研究导体电阻跟导体材料有关
3、，其中自变量是导体材料，因变量是导 体的电阻，则其他变量都是控制变量。自变量要发生改变，即导体材料要不同，控制变量 要保持不变，即导体的长度和横截面积都要保持相同，所以要选 C、F 两根导线。 在问题（2）中，研究导体电阻跟导体长度有关，其中自变量是导体长度，因变量是导 体的电阻，则其他变量都是控制变量。自变量要发生改变，即导体长度要不同，控制变量 要保持不变，即导体材料和横截面积都要保持相同，所以要选 C、G 两根导线。 在问题（3）中，小明选用导线 A 和导线 D，由于 A、D 两根导线的长度都是 1m，材 料都是锰铜，只有横截面积不同，所以，导体的长度、材料都是控制变量，横截面积是自导线
4、代号ABCDEFG长度 L/m1.00.51.51.01.21.50.5横截面积 S/mm23.20.81.20.81.21.21.2材料锰铜钨镍铬丝锰铜钨锰铜镍铬丝变量，可以用来研究导体的电阻跟导体的横截面积有关。 答案：答案：（1）C、F； （2）C、G； （3）横截面积。例 2. 小名在探究影响电磁铁磁性强弱的因素时，提出了两个假设：（1）电磁铁线圈的 匝数一定时，如果通过电磁铁的电流越大，则电磁铁的磁性就越强。 （2）通过电磁铁的电 流一定时，如果电磁铁线圈的圈数越多，则电磁铁的磁性就越强。为了验证这两个假设准 备了如下实验器材：用漆包线（=1.1mm L=10m） 、塑料管（=20m
5、m L=100m） 、铁 芯（=14mm L=120m）制作一个八抽头的电磁铁（120 匝每 20 匝抽出一个接线端） ，从 实验室选择了干电池（1 号 2 节） 、开关、滑动变阻器（202A） 、电流表（J0407 型） 、导 线、若干大头针、铁架台。请你利用上述器材，设计实验验证上述两个假设，请画出电路 图、分别写出实验步骤并设计数据记录表。 分析与解：分析与解：首先识别变量，并对变量进行操作定义。 根据假设（1）可以确定自变量为电流，因变量为电磁铁的磁性强弱，控制变量为电磁 铁线圈的匝数。根据假设（2）可以确定自变量为电磁铁线圈的匝数，因变量为电磁铁的磁 性强弱，控制变量为电流。电磁铁的
6、磁性强弱可以定义为吸引大头针的数量多少。假设中 的变量如下表所示。自 变 量因 变 量控 制 变 量假设 （1）电 流电磁铁线圈的匝数假设 （2）电磁铁线圈的匝数电磁铁的磁性强弱 （吸引大头针的数量）电 流其次，操作各种变量，选择控制技术。具体地说，就是怎样改变自变量、怎样测量自 变量、怎样测量因变量、怎样控制控制变量。为了验证假设（1） ，需要解决以下四个问题： 怎样改变电流、怎样测量电流、怎样测量电磁铁的磁性强弱，怎样控制线圈匝数。为了验 证假设（2） ，需要解决的四个问题是：怎样改变线圈的匝数、怎样测量线圈的匝数、怎样 测量电磁铁的磁性强弱，怎样控制电流。 第三，确定实验所需的材料和设备
7、，设计实验步骤。改变电流、控制电流都可以用滑 动变阻器，测量电流可以用电流表，测量电磁铁的磁性强弱可以计数电磁铁吸引的大头针 的数量，改变线圈匝数、控制线圈匝数都可以用自制的多抽头线圈。另外，还需要组成电 路的基本元件：电源、开关、导线，为了固定电磁铁的位置，还需要铁架台。 在设计的实验步骤中，包括改变自变量、测量自变量、测量因变量、控制控制变量所 进行的操作步骤，记录数据的步骤，还包括为了实验的实施而准备的电路连接的步骤。 验证假设（1）的实验步骤： 1. 按下图所示实物电路图连接实物，打开开关，将变阻器滑片放在最大位置。 2. 试触开关，检验电路连接是否正确。 3. 调节滑动变阻器，改变电
8、流，观察电流表的示数，用电磁铁去吸引大头针。4. 将电流表的示数和大头针的数目记录在表中。 5. 重复步骤 3 和 4，并将结果记录在表中。 验证假设（2）的实验步骤： 1. 按图所示实物电路图连接实物，打开开关，将变阻器滑片放在最大位置。 2. 试触开关，检验电路连接是否正确。 3. 改变电磁铁接线柱，闭合开关，调节滑动变阻器、保持电流值一定，用电磁铁去吸引 大头针。 4. 将电流表的示数和大头针的数目记录在表中。 5. 重复步骤 3 和 4，并将结果记录在表中。 第四，设计数据记录表。在设计数据记录表格时，可以把控制变量固定在表格的右上 方，自变量的记录放在表格中的第一行，因变量的记录放在
9、表格中的第二行，以便观察它 们之间的数量关系。探究就是要在变化中寻找自变量和因变量之间的关系，一般而言，自 变量需要改变 68 次。验证假设（1）的实验数据记录表如表 1 所示，验证假设（2）的实 验数据记录表如表 2 所示。 表 1 电磁铁磁性强弱与电流的关系 线圈匝数 匝电 流（A）电磁铁吸引大头针的个数表 2 电磁铁磁性强弱与线圈匝数的关系 电流 A匝 数电磁铁吸引大头针的个数提示：提示：影响因变量的自变量可能不只一个，因而在进行变量的确立时，首先要保证自 变量和因变量的一一对应关系，此自变量确立后，其它关系中出现的自变量在此时就成为 被控制的变量。操作性定义的使用就是为了清楚而简洁的将
10、所要测量的事物具体化，以便 于其他人确切地使用同样的程序和测量方法重复该实验，同时也可以使每个人能知道研究 的是什么。这将有助于对研究结果的解释，减少误解的可能性。【考点突破考点突破】 【考点指要考点指要】 实验探究题在北京市中考物理试题中占 2530 分，是重点与难点之一。实验设计为必 考题型。分值约 5 分。要求考生掌握基本测量工具的使用。掌握课本中主要演示实验和学 生实验的原理、步骤、结论、实验中出现的现象和重要器材的作用。学会物理实验设计的 一般方法，即公式原理法和控制变量法。【典型例题分析典型例题分析】 例 3. 实验桌上有如下器材：符合实验要求的电源一个、电流表和电压表各一只、开关
11、一 个、各种阻值已知的定值电阻和导线若干。要求从实验桌上选择适当器材，设计一个实验 证明：“当通过电阻的电流保持不变时，电阻消耗的电功率与该电阻的阻值成正比” 。请画 出实验电路图，并写出实验步骤。 （1）实验电路图：（2）实验步骤： 分析与解：分析与解：实验设计的基本思路同例 1，不再赘述。本题的关键是在没有滑动变阻器的情况下如何控制电流保持不变，实际操作时，可以有不同的方法。另外，因变量电功率 不能直接测量，需要通过测量电流和电压计算出来，所以，电流和电压属于中间变量。本 题的难点之一是如何把实验步骤清楚地表达出来。在实验步骤中要把以下要点表达出来： 说明用什么措施控制电流不变；说明自变量
12、电阻是怎样改变的以及改变的次数；说明电流 和电压的测量；说明数据的记录。 解法一： （1）实验电路图如图A S R2 R3 R1 V R5 R6 R4 （2）实验步骤要点： 按电路图将电流表、电压表和六个阻值不同的电阻 R1、R2、R3、R4、R5和 R6接入电 路中，并把这六个电阻的阻值记录在表格中； 闭合开关 S，测出 R1两端的电压和通过 R1的电流，并把数据记录在表格中； 断开开关 S，把电压表连接在 R2两端，仿照步骤，测出 R2两端的电压和通过 R2 的电流，并把数据记录在表格中； 仿照步骤，分别测出电阻 R3、R4、R5和 R6两端的电压和相应的电流，并把数据 记录在表格中。 利
13、用公式 P=UI 分别计算出电阻 R1、R2、R3 、R4、R5和 R6消耗的功率 P1、P2、P3、P4、P5和 P6，并把数据记录在表格中。 解法二： （1）实验电路图如图 R2 R3 A S R1 V a b c d （2）实验步骤要点： 按电路图将电流表、电压表及三个阻值不同的电阻 R1、R2和 R3接入电路，并把数 据记录在表格中； 闭合开关 S，测出 R1两端的电压和通过 R1的电流，并把数据记录在表格中； 仿照分别测出电阻 R2、R3、Rac、Rbd和 Rad两端的电压以及相应的电流，并把数据 记录在表格中； 利用公式 P=UI 分别计算出电阻 R1、R2、R3、Rac、Rbd和
14、 Rad消耗的电功率。 解法三： （1）实验电路图如图 R2 A S R1 V a b c （2）实验步骤要点： 按电路图将电流表、电压表及两个不同阻值的电阻接入电路中。 闭合开关 S，测出 R1两端的电压和通过 R1的电流，并把数据记录在表格中； 断开开关 S，把电压表连接在 R2两端，仿照步骤，测出 R2两端的电压和通过 R2的电流，并把数据记录在表格中； 把 R1、R2分别换成与它们阻值不同的电阻 R3、R4以及 R5、R6，且使 R3+R4=R5+R6= R1+R2； 仿照步骤、，分别测出 R3、R4 、R5、R6两端的电压和相应的电流，并把数据 记录在表格中； 利用公式 P=UI 分
15、别计算出电阻 R1、R2、R3、R4 、R5、R6消耗的电功率，并把数据 记录在表格中。 提示：提示：本题阅卷时的扣分点如下：实验步骤中没有叙述“阻值不同的电阻”或“不同 的电阻”的扣 1 分，不记录各电阻阻值的扣 1 分，此两点不重复扣分；阻值变化少于 6 次 的扣 1 分；只测一次电流的扣 1 分；没有明确说明用什么措施控制电流不变的扣 1 分；没 有控制电流保持不变的不得分。请同学们对照扣分点认真思考上述分析与解法，就会更容 易抓住解探究题的精髓。例 4. 已知空气可以传播声音，请设计一个简易实验，证明固体也能够传播声音。请写出 实验所需要的器材、实验步骤以及实验分析与结论。要求设计的实验具有可行性，要符合 安全原则。 （1）实验器材：（2）实验步骤：（3）实验分析与结论： 分析与解：分析与解：本题的难点是不容易区分变量，所以有哪些变量是控制变量就不好确定， 也就不能有效控制变量。本题中自变量为声音的传播途径，因变量为声音的接听，其他影 响声音接听的所有因素，如声源发出声音的响度、接听距离等都是控制变量。本题的实验 设计可以采用对比实验，对比实验的特点是当自变量从一种状态改变为另一种状态，因变 量应发生对比鲜明的变化，结果容易观察、显而易见。设计对比实验时要注意这一点。 解法一：实验器材：大广口瓶、橡皮塞、小闹钟 实验步骤： 1. 把小闹钟调至响振状
