物理实验的设计与创新探析，本文主要内容关键词为：探析论文,物理实验论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
所谓设计性实验就是在过去已学实验（包括学生分组实验、演示实验及课后小实验）的基础上应用已学的实验仪器，实验方法根据要求设计实验方案。它涉及到对实验原理的认识及理解、实验器材的选取、步骤的合理安排、具体的实验操作、数据的分析处理及结论的得出等一系列知识能力，能有效地考查考生灵活运用基本知识及技能的能力，体现了“素质、创新”的主题，是高考命题较具活力的领域。
一、设计与创新的基本要求
1.实验基本原理是设计性实验的基础。要研究实验，只有对实验目的，实验原理，实验器材的选择、安装、调试，实验操作、步骤，实验数据的记录、处理、实验误差分析和得出实验结论等各方面都掌握得较好。
2.基本的实验方法及器材的应用是应对设计性实验的途径。近年高考对实验的考查也反映了这一点。设计型试题的出现，给当前实验的学习提出了更高的要求，但处理该类实验的方法及器材的选用，归根结底依旧是中学阶段所学的内容。
二、设计与创新的原则、思路
（1）原则
①简便性原则 即要求所选方案原理简单、操作简便，各量易测。
②可行性原则 实验方案的实施要安全可靠，不会对人身和器材造成危害；所需装置和器材要易于置备，不能脱离实际，不能超越现有条件。
③精确性原则 不同的实验方案，其实验原理、所用仪器以及实验重复性等方面所引入的误差是不同的，在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的实验方案。
以上三原则通常要综合考虑。
（2）设计思路
①依据问题的条件、要求，创设有关的物理情景（实验模型），物理情景可能不惟一。
②确定实验原理。
③确定实验过程并选择好器材，及所要测量的物理量。
④做好数据处理，误差分析等。
三、设计与创新实例
1.实验情景的创新与拓宽
例1 利用打点计时器研究一个约1.4m高的商店卷帘窗的运动， 将纸带粘在卷帘底部，纸带通过打点计时器随帘在竖直面内向上运动。打印后的纸带如图1所示，数据如表格所示。纸带中AB、BC、CD ……每两点之间的时间间隔为0.10s，根据各间距的长度， 可计算出卷帘窗在各间距内的平均速度v[,平均]。可以将v[,平均]近似地作为该间距中间时刻的即时速度v。
（1）请根据表内所提供的纸带和数据，在图2中绘出卷帘窗运动的v－t图线。
（2）AD段的加速度为_____m／s[2]，AK段的平均速度为______m／s。
（2001年上海高考题）
卷帘运动的数据
间隔 间距 间隔 间距
（cm） （cm）
AB5.0
FG20.0
BC10.0 GH20.0
CD15.0 HI17.0
DE20.0 IJ8.0
EF20.0 JK4.0
解析 该题是利用打点计时器来研究商店卷帘窗运动情况的一道理论联系实际的实验题。由于运动情况比较复杂，要求学生能熟练运用运动学公式。熟悉v－t坐标中的速度图像的描绘，并且能运用图像的规律来求出运动的平均速度与加速度。
（1）本题绘制v－t 图线需依据纸带记录的数据分析判断卷帘窗的大体运动情况。即先加速（A→E为匀加速），后匀速（E→H），再减速（减速阶段的加速度不同）。依据平均速度与即时速度的关系，求出各段对应的中间时刻的即时速度。
v[,0.05]＝（5×10[－2]／0.1）（m／s）＝0.50m／s
v[,0.15]＝（10×10[－2]／0.1）（m／s）＝1.00m／s
再依次求出其后8个时刻的瞬时速度（略）。画出图线如图3所示。
（2）AD段的加速度既可据图线的斜率求得。
2.实验方案的创新与设计
例2 从下表中选出适当的实验器材， 设计一电路来测量一个刻度盘总共有10个小格，且刻度均匀，但量程未准确确定的电压表V[,1] 的量程U[,1m]，要求方法简捷，有尽可能高的精度，并能测出多组数据。
器材（代号） 规格
稳压电源E30V,内阻很小
待测电压表V[,1] 量程在23-27V之间,内阻r[,1]=250kΩ
标准电压表V[,2] 量程2V,内阻r[,2]=20kΩ
电流表A 量程3A,内阻r[,A]=0.01Ω
滑动变阻器R 总阻值1kΩ
（1）在右框中画出电路图，标明所用器材的代号。
（2）若选测数据中的一组来计算V[,1]的量程U[,1m]，则所用的表达式为U[,1m]＝______，式中各字母代表的是：______。
解析 （1）如图4。
（2）调节R的阻值，使电压表V[,2]的示数为U[,2]，读出电压表V[,1]的指针偏转的格子数N[,1]；由串联电路
思考：（1）本实验中滑动变阻器R为何采用“分压式”连结？
（2）本实验为何不选用所给器材“电流表A”，比如，可以将其与电压表V[,1]串联而求测量程U[,1m]？
3.仪器选择的创新设计与创新仪器的正确使用
例3 实验室中现有器材如实物图5所示，有：
电池E，电动势约10V，内阻约1Ω；
电流表A[,1]，量程10A，内阻r[,1]，约为0.2Ω；
电流表A[,2]，量程300mA，内阻r[,2]约为5Ω；
电流表A[,3]，量程250mA，内阻r[,3]约为5Ω；
电阻箱R[,1]，最大阻值999.9Ω，阻值最小改变量为0.1Ω；
滑线变阻器R[,2]，最大阻值100Ω，开关S，导线若干。
要求用图6所示的电路测定图中电流表A的内阻。
（1）在所给的三个电流表中， 哪几个可用此电路精确测出其内阻？答：_______。
（2）在可测的电流表中任选一个作为测量对象， 在实物图上连成测量电路。
（3）你要读出的物理量是_____。用这些物理量表示待测内阻的计算公式是______。
（2001年综合科目测试·全国卷）
解析 本题要求依据题给的实验方案，选用精度合适的电流表，精确测出电流表的内阻。由题图不难发现隐含的实验原理，即利用R[,1]与电流表
的并联关系，只需测出流过R[,1]的电流即可知道两端的电压，流过电流表的电流可直接读出，利用欧姆定律便可求出的内阻。因而，问题的关键是如何精确测出电流，这就需要两个电流表在读数时都必须尽量准确，如何选择搭配便是本题的创新所在。
若测电流表A[,1]的内阻， 因流过它的电流小于所搭配的另外一个电流表的量程（300mA或250mA），而其本身量程相对过大，读数则很不准确。因此，理想的器材搭配是A[,2]、A[,3]。
答案：（1）A[,2]、A[,3]
（2）若测r[,3]，实物图如图7。
（3）A[,2]、A[,3]两电流表的读数I[,2]、I[,3]和电阻箱R[,1]的阻值R[,1]，r[,3]＝（（I[,2]－I[,3]）／I[,3]）R[,1]。
4.实验误差的分析与实验方案的改进。
例4 要求测量由2节干电池串联而成的电池组的电动势E和内阻r（约几欧）、提供下列器材：电压表V[,1]（量程3V，内阻1kΩ）、 电压表V[,2]（量程15V，内阻2kΩ）、电阻箱（0－9999Ω）、电键、 导线若干。
某同学用量程为15V的电压表连接成如图8所示的电路，实验步骤如下：
（1）合上电键S，将电阻箱R阻值调到R[,1]＝10Ω，读得电压表的读数为U[,1]。
（2）将电阻箱R阻值调到R[,2]＝20Ω，读得电压表的读数为U[,2]。由方程组U[,1]＝E－（U[,1]／R[,1]）r、U[,2]＝E－（U[,2]／R[,2]）r，解出E、r。为了减少实验误差，上述实验在选择器材和实验步骤中，应做哪些改进？
____________________________，______________。（2001年上海高考题）
解析 在选择器材上，用量程为15V的电压表， 显然测量误差过大，因2节干电池的电动势约3V左右，所以应选择电压表V[,1]。
本题更注重的是实验步骤的改进，力求尽可能减少实验测量中带来的误差。故应改变电阻箱阻值R，读取若干个U的值，由I＝U／R 计算出电流的值，然后作出U－I图线，由该图线的截距和斜率得出E、r的值。