设计型实验的几种设计方法，本文主要内容关键词为：几种论文,方法论文，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。
所谓设计型实验，是根据实验目的，运用掌握的物理规律、实验方法，选择熟悉的仪器、器材，设计实验方案。设计方案包括选用合适的实验方法，选择配套的实验器材，安排正确的实验步骤，设计科学的数据处理方法，最后给予总结和评价。
一、设计原则
（1）科学性：科学的方案应有科学的理论依据及正确的方式。
（2）安全性：设计的方案实施时，应安全可靠，不会对仪器、器材等造成损害。
（3）精确性：实验误差应控制在允许范围之内，尽可能选择误差较小的方案。
（4）可操作性：设计方案应便于操作、读数，便于进行数据处理和观察。
二、设计方法
（一）等效法——用一个已学的物理模型或标准量等效替代被测量。
【例1】 A、B两地间有10千米长埋在地下的电缆（可看做两根电阻相等的平行绝缘导线），使用一段时间后，某处出现漏电现象（相当于电缆在该处连接了一个阻值不明的电阻），现给你一个15伏稳压电源（内阻不计）和一个15伏电压表，请你设计一个方案，在不用开挖地面的情况下，找出漏电地点的正确位置。要求：（1）画出实验等效电路图；（2）写出主要操作步骤；（3）列出待测物理量及计算式。
解：（1）通过引导学生等效分析，画出如图1所示的实验电路图。
（2）主要操作步骤：①AC端接电源，BD接电压表，读出电压为U[，1]；②BD端接电源，AC接电压表，读出电压为U[，2]。
（3）计算式：设漏电地点E距A端X千米，每千米电阻为r，则：
【例2】 现有电流表、电阻箱、滑动变阻器、低压直流电源、单刀单掷开关一个、单刀双掷开关一个、导线若干。要求用以上器材测量待测电阻的阻值。（1）画出电路图；（2）简要说明测量的主要步骤。
解：（1）通过引导学生分析，设计如图2所示的电路图。
（2）主要操作步骤：①调节变阻器阻值最大，闭合S，将S[，1]接a，适当调节变阻器阻值，记下电流表读数I；②调节电阻箱的阻值最大，再将S[，1]接b，再调节电阻箱的阻值，使电流表读数恢复为I。此时电阻箱的阻值等效替代于待测电阻R[，x]的值。
（二）比较法——通过对一些物理量或测量仪器的比较，达到同中求异的目的，从而确定测量的物理量和需要的仪器。
【例3】 现有一个阻值为10.0Ω的定值电阻、一个电键、若干根导线和一个电压表，该电压表表面上有刻度但无刻度值。要求设计一个能测定某电源内阻的实验方案。（已知电压表内阻很大，电压表量程大于电源的电动势，电源的内阻约为几欧）要求：（1）画出实验电路；（2）简要写出完成接线后的实验步骤；（3）写出计算电源内阻的表达式值。
解：（1）因电压表示数跟指针偏转格数成正比，通过比较引导学生分析，设计如图3所示的电路图。
（2）简要实验步骤：
①断开电键K，记下电压表指针偏转格数N[，1]；②闭合电键K，记下电压表指针偏转格数N[，2]。
（3）电源内阻表达式：设电压表指针偏转1小格电压值为U[，0]则：
【例4】 用伏安法测定一个阻值约为25KΩ，额定功率为1/20W的电阻的阻值，备用仪器及元件有：（1）待测电阻及。（2）直流电流表二只：A[，1]——量程0～100μA，内阻约为2KΩ；A[，2]——量程0～500μA，内阻约为300Ω。（3）直流电压表三只：V[，1]——量程0～1V，内阻约为10KΩ；V[，2]——量程0～10V，内阻约为100KΩ；V[，3]——量程0～50V，内阻约为500KΩ。（4）电源三件（电源内阻不计）：ε[，1]——二节干电池，每节1.5V；ε[，2]——直流稳压电源，输出电压15V，额定电流1A；ε[，3]——直流稳压电源，输出电压50V，额定电流0.5A。（5）滑动变阻器R[，1]，电阻值1KΩ，额定功率1W。（6）电键一个，导线若干。
试从以上所提供的仪器和元件中选择合适的规格及适宜的线路，使得被测电阻的测量结果达到尽可能高的精确度。（1）画出电路图并标明所选仪器与元件的规格；（2）简要说明设计的理由。
解：（1）这题是通过对测量仪器的比较和分析，在现有的器材中选择合适的仪器进行测量，设计如图4所示的电路图。
（2）理由说明如下：
（A）直接用电源接上R，则：①用50V电源，则超过R的额定功率；②用15V电源，则流过R的电流为600μA，电流表超过量程；③用3V电源，则电流为120μA，电流表量程不合适。
（B）用变阻器作限流器，则：①用50V电源，则超过R的额定功率；②用15V或3V电源，则没有合适量程的电流表。
（C）用变阻器作分压器，则：①用50V电源，则超过R[，1]的额定功率；②用3V电源，无合适量程的电压表。
（D）由于所用电压表V[，2]的内阻较大，所以将电流表内接。
（三）转换法——所测物理量无法直接测出，可以转换测其他量，利用物理规律求出所测物理量。
【例5】 在长方形的桌面上有秒表、弹簧秤、小砝码、天平、轻质细绳、支架，请利用这些器材较为正确地测出桌面的面积。
解：在没有刻度尺的情况下，利用已学物理知识，转换测其他物理量，再用物理规律求出所测物理量。步骤：①用细线量出讲台桌面的长，并将它和小砝码连接做成一个单摆；②让此摆摆动，测出30次全摆动的时间t[，1]；③求出周期T[，1]=t[，1]/30，代入L[，1]=T[2][，1]g/4π[2]，计算出L[，1]；④用同样的方法求出讲台桌面宽L[，2]；⑤讲台桌面的面积S=L[，1]·L[，2]。
【例6】 试设计一个测量在水平直水泥公路上骑行的自行车受到的阻力的方案。车和骑车人的总质量为M千克，手边只有涂有墨水的小金属球和长皮卷尺，路旁边有小树。要求：（1）说明测量方法；（2）要测量的物理量；（3）测试结果表达式。
解：这个实验的设计难度是在现有的器材下，如何用转换法测量自行车的初速度。从而求出车受到的阻力
（1）测量方法：自行车在靠近路旁行驶中，当车把手经过某一小树旁时，在车把处用手把涂有墨水的小金属释放，同时停止踏自行车，让车滑行到停下。
（2）测量的物理量：用皮尺测出墨水在地上痕迹到那棵小树的距离S[，1]；用皮尺测出停车处的车把手到该小树处的距离S[，2]；用皮尺测出车把到地面距离h。
（3）表达式：f=Mgs[2][，1]/4hs[，2]
（四）综合法——在多种实验方案中，通过综合分析，得出最佳方案。
【例7】 请你设计一个测量小铁球作竖直上抛运动的初速度的实验。现提供一个小铁球、秒表、长直尺、天平等仪器。
解：（方案1）用长直尺测出小铁球作竖直上抛运动的最大高度为h，利用公式V=
计算，求出初速度。
（方案2）用秒表测出小铁球作竖直上抛运动的上升时间t，利用公式V=gt计算，求出初速度。
（方案3）用秒表测出小铁球作竖直上抛运动过程中的总时间T，由于竖直上抛运动过程中的上升时间等于下降时间，利用公式V=gT/2计算，求出初速度。
上述三个方案科学性都是正确的，但是测量的精确性和可操作性是不同的。通过教师的引导，学生分析比较，可以得出最佳是（方案3）
【例8】 在水平实验桌上放有长木板、弹簧秤、木块，请你设计测量木块与木板之间的滑动摩擦系数的实验。
解：（方案1）如图5所示，用弹簧秤测出木块的重力G，再将长木板固定在桌边铁架上，用弹簧秤水平拉木块在长木板上做匀速直线运动，此时弹簧秤的读数为F，则木块所受滑动摩擦力的大小f=F，木块与木板之间的滑动摩擦系数
μ=F/G.
（方案2）如图6所示，用弹簧秤测出木块的重力G，再将弹簧秤固定在桌边铁架上，用水平力拉长木板上作缓慢的直线运动，当木块和长木板作相对滑动时，此时弹簧秤有一个稳定的读数为F，则木块所受滑动摩擦力的大小f=F，木块与木板之间的滑动摩擦系数μ=F/G。
上述两个方案科学性都是正确的，但是测量的精确性和可操作性是不同的。通过教师的引导，学生分析比较，可以得出最佳是（方案2）。
综上所述，在做物理设计型实验时，要注意设计原则。首先要考虑设计的科学性，设计要有创新精神；其次，要对设计的实验进行安全性、精确性、可操作性的综合分析，取得最佳设计方案。