高考设计性实验试题的突破方法研究，本文主要内容关键词为：试题论文,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。
所谓设计性实验试题，通常是指要求考生根据给出的实验目的和器材，运用所学的实验方法、技能，通过创造性思维设计出切实可行的实验方案、测量方法、实验步骤，并处理数据、得出结论的试题。它是近几年高考命题的热点，也是难点。它要求学生灵活应用学过的实验知识、方法、技能，设计新的实验方案，能有效考查学生对实验原理和方法的理解、迁移和应用以及综合创新的思维能力。能否顺利解决的关键在于对实验原理和方法的理解和把握，以及如何将原理变成实际可行的操作过程。教学中突破设计性实验这一难点既有物理规律可依，也有思维方法可循。
一、明确中学物理实验中常用的思维方法
在中学物理实验中常用的思维方法有：物理条件难以实现时采用“变通”办法来达到目的的等效替代法；测量微小量时所用的累积法；存在多个变量时可用控制变量法；一些物理量不能直接测量时可以用转换法；此外还有留迹法、平衡法、共轭法等等。上述方法有些已在课本中体现出来，高考中也考查过，如测电阻时常用的伏安法，也可用等效替代法、半偏法、电桥平衡法等。
二、掌握中学物理实验设计的基本思路
1.明确目的，广泛联系
题目要求测定什么物理量，要求验证、探究什么规律，这是实验的目的和实验设计的出发点。使学生明确了实验目的后，再应用所学知识广泛联系，看看该物理量在哪些物理规律中出现过，与哪些物理现象有关，与哪些物理量有直接的联系。
例如“测定地球表面附近的重力加速度”实验设计，要求学生想到有关的情景或公式（二力平衡N=mg；物体从光滑斜面下滑
；自由落体
；单摆周期公式
。
2.选择方案，简便精确
对于每一个实验目标，都可能存在多条思路、多种方案，在众多实验方案中我们应如何选择呢？一般来说，选择实验方案主要依据下列四条原则：
(1)正确性原则——设计实验所依据的原理和方法要正确、简明易行。
(2)安全性原则——实验方案要安全可行，即保证实验仪器、装置的安全，不能损坏。如电学实.验中电表量程的选择、滑动变阻器的使用、电源的选取等，安全使用是第一位的。
(3)方便性原则——在保证实验可正常进行的前提下，设计的操作步骤、数据的处理方法，均要简便易行，不要过于繁杂。
(4)准确性原则——所设计的实验在原理和操作上，应当误差小、精度高，这是设计的难点，也是最能体现思维的全面性和综合能力之处。
3.依据方案，选定器材
实验方案选定之后，考虑该方案在实施的过程中需要哪些装置，被测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的器材。
4.拟定步骤，合理有序
拟定实验步骤时要做到心中有数，如何组装器材，哪些量先测哪些量后测，应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤。对一些可直接测量的物理量，可先行测量；对需要通过实验操作才能测定的物理量，必须先组装器材，再进行实验、观察和测量。
5.数据处理，误差分析
高考对此要求在逐步提高，所以必须清楚常用的数据处理方法和误差分析方法，并注意细节问题。
三、通过典型实例了解实验设计类型和突破方法
1.实验原理的创新设计
例1 （2006·江苏高考）现要按图1所示电路测量一节旧干电池的电动势E（约1.5V）和内阻r
a.请写出与你所作线性图象对应的函数关系式——。
b.请在图3虚线框内坐标中画出定性图象（要求标明两个坐标轴所代表的物理量，用符号表示）。
图3
c.图3中＿＿表示E，图3中＿＿表示r。（限于篇幅，解析省略，下同）
方法总结：测电流表的内阻已由课本上的半偏法变成了准确测量电阻的等效替代法；由于I与R是非线性关系，利用图象法来处理数据必须采用“化曲为直”的方法作出线性图象，再根据表达式分析推理出图象的物理意义才能顺利作答，方法源于课本，高于课本。又如2004年全国理综Ⅰ实验题考查了把毫伏表改装成毫安表并校准，也是源于学生实验又有别于学生实验。因此既要重视大纲规定的学生实验，又要善于将所求问题转化为已学过的物理实验模型，学会将所学到的实验知识、技能进行灵活迁移。
2.实验方案、方法的创新设计
例2 （2006·泰安期末统考）有一根细长而均匀的金属材料样品，截面为外方内圆，如图4所示。此金属材料长为L，截面边长为a，电阻约为50Ω，已知这种金属的电阻率为ρ。因管线内径太小，无法直接测量，请你设计一个实验方案测量其内径d，现有如下器材可选：
图4
A.电流表(200mA10Ω)
B.电流表(3A 10Ω)
C.电压表(3V 6kΩ)
D.滑动变阻器(2kΩ 0.5A)
E.滑动变阻器(10Ω2A)
F.蓄电池(6V0.05kΩ)
G.开关一个，带夹子的导线若干。
(1)上述器材中，电流表和滑动变阻器应选＿＿（只填代号字母）。
(2)画出你所设计方案的实验电路图。
(3)利用已知物理量和实验读数表示内径d=＿＿。
方法总结：根据器材特点可以肯定要用电学实验方法进行测量，联想与金属直径有关的物理规律和实验后应该想到学生实验“测金属电阻率”；好一点的学生还会联想到“测镀膜电阻厚度”的上海高考题。通过这样的类比分析和迁移，即可较快实现方法上的突破。接下来就是原理图的设计要考虑周全，重点是电流表的内外接法，滑动变阻器的分压和限流式接法以及电流表量程的选择等。
3.实验情景的创新和拓展
例3 学过单摆的周期公式以后，物理兴趣小组的同学们对钟摆产生了兴趣，老师建议他们先研究用厚度和质量分布均匀的方木块（如一把米尺）做成的摆（这种摆称为复摆），如图5所示。让其在竖直平面内做小角度摆动，C点为重心，板长为L，周期用T表示。
图5
甲同学猜想：复摆的周期应该与板的质量有关。
乙同学猜想：复摆的摆长应该是悬点到重心的距离L/2。
丙同学猜想：复摆的摆长应该大于L/2。理由是：若OC段看成细线，摆线拴在C处，则C点以下部分的重心离O点的距离显然大于L/2。
为了研究以上猜想是否正确，同学们进行了下面的实验探索：
(1)把两个相同的木板完全重叠在一起，用透明胶（质量不计）粘好，测量其摆动周期，发现与单个木板摆动时的周期相同，重做多次仍有这样的特点，证明了甲同学的猜想是＿＿的。
由上表可知，复摆的等效摆长＿＿L/2（选填“大于”“小于”或“等于”）。
为了进一步定量研究，同学们用描点作图法对数据进行处理，请在坐标纸上作出
图，并根据图象中反映出的规律求出
=______（结果保留三位有效数字，其中
是板长为L时的等效摆长，其周期
）。
方法总结：复摆实验是在单摆实验的基础上进行创新和拓展的结果，只需根据题目的信息和数据结合单摆周期公式，通过图象处理便能顺利解决。
4.实验仪器和方法的创新设计
例4 （2006·广东卷）某同学设计了一个研究平抛运动的实验，实验装置如图6所示，A是一块平面木板，在其上等间隔地开凿出一组平行的插槽（图中
…）槽间距离均为d，把覆盖复写纸的白纸铺贴在硬板B上，实验时依次将B板插入A板的各插槽中，每次让小球从斜轨的同一位置由静止释放。每打完一点后，把B板插入后一槽中并同时向纸面内侧平移距离d。实验得到小球在白纸上打下的若干痕迹点（图略）。
图6
(1)实验前应对实验装置反复调节，直到＿＿。每次让小球从同一位置由静止释放，是为了＿＿。
(2)每次将B板向内侧平移距离d，是为了＿＿。
(3)在图中绘出小球做平抛运动的轨迹（图略）。
方法总结：此题所用仍然是课本上的实验方法——留迹法。只不过留迹的方法有别于课本，将固定的竖直板换成了左右前后可移动的接球板，可谓独具匠心，但只要我们牢记平抛运动的水平方向分运动是匀速直线运动，能意识到平板每次向纸内移动距离d实质上是起到一个扫描作用，使得在同样时间内扫描的距离等于小球在水平方向运动的实际距离，将课本上用砂摆显示振动图象的平板匀速抽动所起扫描作用迁移过来，就不难理解了。
5.电路结构的创新设计
例5 （2006·广东卷）某同学设计了一个如图7所示实验电路，用以测定电源电动势和内阻，使用的实验器材为：待测干电池组（电动势约3V）、电流表（量程为0.6A，内阻小于1Ω）、电阻箱（阻值为0～99.99Ω）、滑动变阻器（阻值为0～10Ω）、单刀双掷开关、单刀单掷开关各一个及导线若干。干电池的内阻较小，电流表的内阻不能忽略。
图7
(1)该同学按图7连线，通过控制开关状态测得电流表内阻约为0.20Ω。试分析该测量产生误差的原因是＿＿。
(2)简要写出利用电路测量电动势和内阻的实验步骤：①＿＿；②＿＿。
(3)图8是由实验数据绘出的1/I-R图象，由此求出待测干电池组的电动势E=＿＿V、内阻r=＿＿Ω（计算结果保留三位有效数字）。
图8
方法总结：要回答第一问，必须知道该实验是怎样测电流表内阻的，由于电路结构发生变化，一下子看不出来，应该联想到课本中的“半偏法”测电流表内阻实验。再看看题中用到的器材是一个滑动变阻器、一个电阻箱和待测电流表和课本上一模一样，于是解决方法找到了，至于如何断开、闭合开关完成电流表内阻测量就简单多了。对于半偏法测量的误差分析已不是课本上的泛泛而谈，而是要具体比较滑动变阻器与电流表内阻的关系，考查必须细致入微；测电动势实际采用的是“一表两阻”等效法；实验数据处理也灵活考查了“化曲为直”的思想方法。
6.实验故障分析的创新设计
例6 （2005·上海卷）两实验小组使用相同规格的元件，按图9所示电路进行测量。他们将滑动变阻器的滑片P分别置到a、b、c、d、e五个间距相同的位置（a、e为滑动变阻器的两个端点），把相应的电流表示数记录在表一、表二中，对比两组数据，发现电流表示数的变化趋势不同。经检查，发现其中一个实验组使用的滑动变阻器发生断路。
(1)滑动变阻器发生断路的是第＿＿实验组；断路发生在滑动变阻器＿＿段。
(2)表二中，与滑片P在X（d、e之间的某一点）处对应的电流表示数可能值为()
A.0.16A B.0.26A C.0.36A D.0.46A
方法总线：该题型是一个涉及分压电路的故障分析题，考查学生探究电路和分析数据的能力以及综合分析问题的能力。其关键是看学生对电路的连接是否熟悉，是否了解各种电表的使用方法和读数以及滑动变阻器接入电路的阻值与长度的关系；是否能对电路中一个常用结论“两电阻之和为定值，当两电阻阻值相等时并联阻值最大”熟练应用。第2小题对电流表示数的估算不好入手，要求较高。
7.减小实验误差方案的创新设计
例7 “伏安法”测电阻时，由于电压表、电流表内阻的影响，使得测量结果总存在误差，而按如图10（甲）所示电路进行测量，则由电压表、电流表内阻所造成的误差可以消除。
图10
(1)请在下面操作过程中的空格填上合适的文字。
(3)用线把实物图（图10乙）按电路图连成测量电路。
方法总结：误差分析是实验方案改进的前提，而改进前要有充分的认识，改进方案的着眼点可以是实验原理，可以是改进仪器设备和实验环境，也可以是改进数据的处理方法（如采用图象法）等等，目的都是为了进一步减小误差。本实验借助两次测量巧妙地消除了电压表和电流表内阻带来的系统误差。只要理解了实验原理，弄清楚
接1和接2的目的，问题就迎刃而解了。
从以上几例可以看出，对实验创新题的突破，关键是看你对课本上出现的实验原理和方法有没有真正理解，能否灵活应用，并迁移到新的实验中去。所以高考实验复习应该以本为本，以纲为纲，夯实实验基础，提高实验技能，掌握实验方法，牢固把握住万变不离其宗这个“宗”——平时所学的物理规律、实验原理和方法。