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1、第二部分实验设计思想方法提炼感悟渗透应 用思想方法提炼2003年考试说明中对实验能力的表 述为:能独立完成“知识内容表”中所列的 实验,能明确实验目的,能理解实验原理和 方法,能控制实验条件,会使用仪器,会观 察、分析实验现象,会记录、处理实验数据 ,并得出结论.能灵活地运用已学过的物理理 论、实验方法和实验仪器去处理问题.思想方法提炼实验能力是中学物理教学中必须培养 的一项重要能力.由于物理高考只有笔试, 许多主要的实验能力和素养很难有效地进 行考查,但高考命题的改革与研究应努力 使对实验能力和素养的考核渗透到有关的 试题中去,努力提高考核实验的有效程度 ,那么考核学生设计实验的能力,在近几
2、 年高考物理实验命题中,愈来愈明确.思想方法提炼设计实验能逼真地模拟操作过程,对实验 原理进行延伸和灵活应用,拓宽了对物理规律 的应用和考查.可以预料,2004年高考实验题 的命题趋向将继续深化、拓宽、创新.即深化 对基础实验、基本测量包括新仪器(以前出现 过单刀双掷开关,变压器抽头线圈等)的考查 ,考查基本实验能力和理解、推理的能力,拓 宽考查范围.用“学过的实验方法”,“学过 的仪器”进行新的实验,考查迁移能力,通过 对基本实验的变形改造、更新,将实验的操作 性考查过渡为设计性考查,即设计实验.思想方法提炼1.实验设计题是对实验的知识和能力 综合考查,只有对实验目的、原理,器材 的选择、安
3、装、测试、操作、步骤及实验 数据的记录、处理、实验误差分析和得出 结论等方面掌握比较好的基础上,才能顺 利完成设计实验.思想方法提炼2.实验设计的基本方法(1)明确目的,联系已学知识.实验目的:即该实验是要求测定什么物理量、 验证、探索什么规律,是实验设计的出发点.明确 了目的后,要认真的思索、想想该物理量或物理 规律在哪些内容中出现过,与哪些有关的物理现 象、物理量、物理规律有联系,特别是对于探索 型实验,更应注意广泛的联系,有关现象原理等 的迁移.思想方法提炼(2)选择方案,简便精确每一个实验设计,皆是开放式的,其方案的 选取往往是有几种,甚至是更多种方案.在众 多的实验方案中,我们如何选
4、择?通常来说, 选择方案有以下几个原则:科学性原则:即实验方案中所依据的原理 应遵循符合已学过的物理规律,且要求选用的 规律要简明、正确.方案中的操作程序应具有 科学性.(符合实验规则的具体要素)思想方法提炼安全性原则:即按方案实施中,应力保实 验人员的安全,并对实验的器材不造成危害, 如电学中的仪表的量程、电源电动势大小,滑 动变阻器的选取等.精确性原则:即力保该方案的实验误差应 是允许误差范围之内.如“伏安法”测电阻,内 外接法的选取等,这就要求:从仪器的精确度 、原理的选取力争更为与该实验的目标相匹配 ,还有就是数据处理方案的选取.如:多次测量 求平均值等.思想方法提炼方便、直观性原则:
5、方案的实施,要 使操作性强、易于操作,仪器方便选取, 实验中比较容易观察,且效果明显,便于 得出实验结论.节约性原则:即方案实施中,要考虑 成本及仪器的损耗等等.如:滑线变阻器, 当限流和分压都行时,要选取限流接法.思想方法提炼(3)依据方案,选定器材.实验方案选定之后,考虑该方案需要哪些 装置,被测定量与哪些物理量有直接的定量 关系,这些物理量分别需要用什么仪器来测 定,从而确定整个实验需要哪些器材.思想方法提炼(4)拟定步骤,合理有序.实验之前,要做到心中有数:即实验装置 如何配置,所测物理量的先后次序等.拟定 一个合理操作,又高效的有序的实验步骤. 附:在实验中,对一些可直接测量的物理量
6、 可先行测量.思想方法提炼(5)数据处理,误差分析.减少误差的措施有很多:主要是从实验 的原理上要求,以及实验器材的限制上等 .另外数据的处理往往采用(平均值法、 逐差法、等效替代法、图像法等).感悟渗透应 用高考设计实验在设计思想、原理、方法和 技巧上不断创新,试题在设计上的变化主要 有以下几种类型:1.变换实验目的:同样的实验器材和方法 可以达到不同的实验目的.如:1996年上海 高考题中把伏安法测电阻变成测陶瓷管上均 匀电阻膜的厚度.感悟渗透应 用【例1】(1996年上海高考题)如图5-31所示,P 是一根表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的长 陶瓷管(其长度l为50cm左右,直径D为10c
7、m左右 ).镀膜材料的电阻率已知,管的两端有导电箍 MN.现给你米尺,伏特计V,安培计A,电源E, 滑动变阻器R,开关S和若干导线.感悟渗透应 用 请设计一个测定膜层厚度d的实验方案.实验中应测定的物理量是:L、D、U、I在虚线框内用符号画出测量电路图.计算膜层厚度的公式是:感悟渗透应 用 【解析】利用所学过的物理知识巧测很薄的物 件的厚度,这是一道很能体现理论联系实际的 好试题.学生不难根据对进行实验所需掌握的相 关知识的理解和记忆,知道是利用欧姆定律,即R=U/I= 困难在于找出厚度d与截面积S有何关系?学 生以前通常接触的导体模型都是实心圆导体, 能否仅凭题给的看似不足的已知条件正确地表
8、 示出S,就看学生等值转换的创造能力的高低了 .感悟渗透应 用实际上我们可以把这根管形空心导体的 环形截面等效成一个矩形截面,其长为环的 周长D.由于膜很薄,d0,故D与平均周长 (D-d/2)相差甚微.因此它的截面积:S=Dd 解得到d=感悟渗透应 用实验中应测定的物理量是L、D、U、I;测量电 路如图5-33所示.本题也可用另一种思路求S:S=R2- r2= (R+r)(R-r),dD,R+r2R=D;而R-r=d,这样,S=Dd.感悟渗透应 用【解题回顾】有些学生能够写出S=R2- r2, 但无法摆脱r不是已知条件的束缚,缺乏物理 思想中的辩证思维习惯,因而得不出S=Dd.感悟渗透应 用
9、2.变换实验原理:根据不同的实验原理可以达 到相同的实验目的.例如:学生实验用伏安法测电 阻的原理是部分电路的欧姆定律,而1998年高考 题中却设计了依据闭合电路的欧姆定律测电阻的 实验.3.变换实验器材:利用不同的实验器材也可 以完成相同的实验任务.如可利用万用电表测电阻 (1995年高考),也可以利用电流表和电压表测电 阻(1996年),还可以利用一个定值电阻和电流表 测电阻(1999年),利用一只电流表和两个阻值已 知的定值电阻可以用来测电池的电动势(2002年全 国高考).感悟渗透应 用 【例2】(2000年全国高考题)从下表中选出适当的 实验器材,设计一电路来测量电流表A1的内阻r1
10、, 要求方法简捷,有尽可能高的测量精度,并能测得 多组数据.感悟渗透应 用(1)在虚线方框中画出电路图,标明所用器材的代号.(2)若选测量数据中的一组来计算r1,则所用的表达 式为r1= ,式中各符号的意义是: .感悟渗透应 用 【解析】该题为电路设计型实验,要求选择适 当的器材组成测量电流表内阻的电路,要求有 尽可能高的测量精度,并能测得多组数据.求解 该题时,首先要把被测电流表(A1)等效为可显示 电流值的电阻,该题成败的关键在于器材的选 择,选择器材应遵循三个原则:可行、精确、 方便.测量电路有两种可能的连接方式:感悟渗透应 用采用伏安法测电阻:即将电压表(V)与电流表(A1) 并联,测
11、出电流表(A1)的电压U和电流I1,由r1=U/I1即 可求出r1,然而被测电流表(A1)允许加的电压在0 0.4V之间,而电压表量程为10V,故电压表的读数误 差较大,从精确这一原则来看,此方法应舍去.采用比较法测电阻:即将电流表与电流表并联, 利用并联电路电压相等的特点得:I1r1=I2r2,即可求 出r1=(I2/I1)r2,式中,I1、I2分别是电流表A1、A2的 读数,r1、r2分别是电流表A1、A2的电阻,这种设计可 以使两电流表的读数同时接近满刻度,满足实验对测 量精度的要求,另外这种设计还要求克服电流表不能 并联这一思维定势的影响.感悟渗透应 用设计电路的基本方法首先是选择电路,然后再考 虑电路连接问题.本题中,R1、R2、E、S、导线若 干必须要选.问题出在是选用电流表(A2)还是选用 电压表(V)因为电池的电动势为1.5V,而电压表(V) 的量程为10V,若选用电压表(V),则电压表(V)上 最大读数约为,读数仅是电压表(V)量程的4.3%,读数误差太大 ,所以不选电压表(V),而选用电流表(A2),而题中 让测电流表(A1)内阻,选用电流表(A2),只有两表 并联,对变阻器接法限流、分压均可,感悟渗透应 用 实验电路如图5-34所示.