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物理学是一门以实验为基础的实验性科学，实验在其中处于十分重要的位置，每一个物理概念、原理和规律都是由实验推出和验证的，实验能力是高考的要求也是将来从事科学研究的基础。理科综合测试对设计和完成实验的能力目标分为两条，即（1）能解释实验现象和结果，能通过分析和推理得出实验结论；（2）根据要求设计简单的实验方案。这种表述可理解为设计性实验的出现应为高考实验题的趋势。考查学生设计实验的能力，是对学生实验知识和实验能力的综合考查。
一、重视基本实验的复习
“万丈高楼平地起”，实验设计类试题其设计思想都来自教材，都是在过去已学实验的基础上演变而来的。它要求考生应用学过的物理知识、原理、实验思想、方法设计出合理方案。
例1 一打点计时器固定在斜面上某处，一小车拖着穿过打点计时器的纸带从斜面滑下，如图1所示。图2是打出的纸带的一段。
（1）已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz，利用图2给出的数据可求出小车下滑的加速度a=______________________。
（2）为了求出小车在下滑过程中所受的阻力，还需测量的物理量有______________。
用测得的量及加速度a表示阻力的计算式为f=_______________。
解析 本题中，要求考生应用学生实验中“测定匀变速运动的加速度”的基本思想和基本方法测定一个沿斜面运动的物体的加速度，并研究物体沿斜面运动时受到的阻力。纸带上给出了一连串相隔时间T=0.02s×2=0.04s的9个点，且相邻两点间的距离依次可求出，分别为5.12cm、5.74cm、6.41cm、7.05cm、7.68cm、8.33cm、8.95cm、9.61cm、10.26cm，采取“掐头去尾”的方法由逐差法易求得a=4.00m/s[2]。
此时，为了求出小车在下滑过程中所受的阻力，可考虑用牛顿第二定律求解。此时，有
mgsinθ-f=ma，则f=mgsinθ+ma，
又sinθ=h/l，故f=mgh/l+ma。
例2 要测量一块多用电表直流10mA挡的内阻R[，A]（约为40Ω），除此多用电表外，还有下列器材：直流电源一个（电动势E约为1.5V，内阻可忽略不计），电阻一个（阻值R约为150Ω），电键一个，导线若干。
要求：（1）写出实验步骤；（2）给出R[，A]的表达式。
解析 显然，该实验题与课本中的实验情形十分贴近，但在平常之中又不失创新。考生在平时的实验复习中，只要在实验原理、实验的设计思想、实验的规范操作、实验数据的处理和实验误差分析等方面及具体的实验操作能认真对待，完全可以取得好成绩。本题中，要测量一块多用电表直流10mA挡的内阻R[，A]，根据所提供的器材，可有如下实验步骤：
（1）用多用电表的直流电压挡测量电源电动势E；
（2）用多用电表的欧姆挡测电阻阻值R；
（3）将多用电表置于直流10mA挡，与电阻R及电键串联后接在电源两端，闭合电键，记下多用电表读数I。
根据欧姆定律，则有E=I（R+R[，A]）。
故R[，A]=E/I-R，此即多用电表直流10mA挡的内阻。
二、设计性实验的解题思路
设计性实验的核心是设计和选择实验方案，其求解思路一般可按如下顺序进行：
1.明确设计实验的目的，把握住设计实验的方向，广泛联系，初步设计并提出各种可能的方案。
2.选择方案。按照简便性、可行性、准确性的原则综合考虑，从中选择最佳方案。
3.根据方案恰当选择器材，并拟定合理的实验步骤。
4.正确处理实验数据，并进行误差分析。
应该说，在上述四步中最关键的就是在多种实验设计方案中选择最佳设计方案，如要测定本地的重力加速度，可以设计以下几种方案：
（1）单摆做简谐振动。由周期公式
（3）利用验证机械能守恒定律的装置，以下落高度h为横轴，以v[2]/2为纵轴，由实验数据绘出。v[2]/2-h图线，其斜率即重力加速度g。
（4）滴水法测重力加速度。
比较上述四种方案易知第一种方法最为简便，且误差最小。
例3 现有器材：量程为10.0mA、内阻约30Ω～40Ω的电流表一个，定值电阻R[，1]=150Ω，定值电阻R[，2]=100Ω，单刀单掷开关K，导线若干。要求利用这些器材测量一干电池（电动势约1.5V）的电动势。
（1）按要求在实物图上连线。
（2）用已知量和直接测得量表示的待测电动势的表达式为ε=_________，式中各直接测得量的意义是：_________。
解析 根据提供的器材，可任取一个定值电阻与电流表、干电池、开关接成一个串联电路，用欧姆定律建立方程组进行测量。但在本题中，电流表量程为10.0mA，干电池的电动势约为1.5V，如果把定值电阻R[，1]与电流表、干电池、开关接成一个串联电路，则回路中总电阻约为180Ω，回路中电流约为1.5V/180Ω=8.3mA，而如果把定值电阻R[，2]与电流表、干电池、开关接成一个串联电路，则回路中总电阻约为130Ω，回路中电流约为1.5V/130Ω=11.5mA。
显然，该电流已超过电流表的量程。考虑到实验的可行性，此时用定值电阻R[，2]与R[，1]串联即可，故有如下解答：
（1）连图：左图只用R[，1]接入电路；右图用R[，1]和R[，2]串联接入电路。（连线略）
（2）设I[，1]是外电阻为R[，1]时的电流，I[，2]是外电阻为R[，1]和R[，2]串联时的电流，则可解得干电池电动势为：
三、实验复习要注意知识迁移和能力培养
由于理科综合实验的考查已从一般的背诵实验转向对实验原理和方法等的理解，所以解设计性实验题的关键在于能否将已掌握的实验知识和方法灵活地迁移到新的实验情境中去。这里我们要注意基本仪器使用的知识迁移，分组实验知识的迁移，演示实验知识的迁移。在实验复习中，我们还可以设法创设知识迁移的情景，变换实验装置的模型等方法，培养知识迁移能力。
例4 一个有一定厚度的圆盘，可以绕通过中心垂直于盘面的水平轴转动。用下面的方法测量它匀速转动的角速度。
实验器材：电磁打点计时器、米尺、纸带、复写纸片。
实验步骤：
（1）如图甲所示，将电磁打点计时器固定在桌面上，将纸带的一端穿过打点计时器的限位孔后，固定在待测圆盘的侧面上，使得圆盘转动时，纸带可以卷在圆盘侧面上。
（2）启动控制装置使圆盘转动，同时接通电源，打点计时器开始打点。
（3）经过一段时间，停止转动和打点，取下纸带，进行测量。
①由已知量和测得量表示的角速度的表达式为ω=_______。式中各量的意义是：________。
②某次实验测得圆盘半径r=5.50×10[-2]m，得到的纸带的一段如图乙所示。求得角速度为：__________。
解析 近几年来，“迁移”能力受到各方面的重视，在本实验中，圆盘边缘的线速度就是卷在圆盘上的纸带速度。（1）由于电磁打点计时器打点的时间间隔为T=0.02s，设r为圆盘的半径，x[，1]、x[，2]是纸带上选定的两点分别对应的米尺上的刻度值，n为选定的两点间的打点数（含两点），则纸带在桌面上做匀速运动的速度易求出。由圆周运动中角速度、线速度和半径的关系即可求出角速度的表达式为
（2）带入实验数据，则ω=6.8r/s。
例5 某电压表的内阻在20千欧～50千欧之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可选用的器材：
待测电压表V（量程3V）；电流表A：（量程20μA）；电流表A[，2]（量程5mA）；电流表A[，3]（量程0.6A）；滑动变阻器R（最大阻值1KΩ）；电源E（电动势4V）；电键K。
（1）所提供的电流表中，应选用_______（填写字母代号）。
（2）为了尽量减小误差，要求测多组数据。试在方框中画出符合要求的实验电路图（其中电源和电键及其连线已画出）。
解析 据欧姆定律知，电压表读数等于通过电压表的电流与电压表内阻之积，在这里我们只要将电压表看做是一个电阻，它两端的电压即是其读数，而通过它的电流的最大值是
3V/20KΩ=150μA。
为减小误差，所选用的电流表的指针偏转要尽可能大。因此，在提供的三个电流表中，应选择量程为200μA的A[，1]，实验电路图如下图。
四、设计实验要重视创造能力的培养
教学的基本任务之一，就是培养具有一定创造能力的人才，设计的过程蕴含着创造，而创造能力是近几年的高考实验题的趋向。
例6 某学生为了测量一物体的质量，找到一个物体质量的测量的力电转换器，该转换器的输出压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图所示。测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。现有下列器材：力电转换器、质量为m。的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体质量的测量。
（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。
（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m。
（3）请设想实验中可能会出现的一个问题。
解析 我们知道，物体质量的测量一般用天平、磅秤等测量，而本题中物体质量的测量须通过力电转换器进行，明显地考查了创造能力，因此须灵活处理。（1）设计电路，要求力电转换器的输入电压可调，可利用滑动变阻器来调节；为使电压的调节范围尽可能大，应采用分压电路，因此可设计如图所示的电路图。
（2）测量步骤与结果：
①调节滑动变阻器，使转换器的输出电压为零；
②将砝码放在转换器上，记下输出电压U[，0]；
③将待测物放在转换器上，记下输出电压U[，1]；
（3）实验中可能会出现如下问题：①因电源电压不够而输出电压调不到零；②待测物体质量超出转换器量程。
五、发展专题研究能力
中学物理教学大纲指出，在高级中学开展课题研究，是全面培养学生综合运用所学知识的能力、收集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力以及团结协作能力的重要环节，这项活动还有利于培养学生独立思考的习惯，激发学生的创新意识。
例7 某同学在做课题研究时，选择了“研究弹簧振子的周期和振子质量的关系”这个课题。他利用实验室中的器材，将一根轻弹簧的一端固定，另一端与在气垫导轨上的滑块相连，弹簧与导轨平行。滑块上固定一个夹子，用它夹住不同质量的金属块。启动气泵，使滑块（连同金属块）在气垫作用下浮起，再将振子拉离平衡位置一定的距离后释放，由于有气垫作用，摩擦可以不计，振子将做简谐振动。通过改变金属块的质量来改变振子的质量，用天平称量并记录6次不同的振子质量m，在保持振幅不变的情况下，用秒表测量出与不同质量振子对应的周期T，并填在下表中。
他先在T-m坐标系中根据此表描点后发现T、m间不是简单的正比关系，而好像是T[2]∝m的关系。请你在此基础上，利用图像进一步验证这一猜想是否正确。
（1）通过计算将有关数据填入表中第三行的空格中。
（2）在如图的坐标系中建立适当的横、纵坐标轴，并标出适当的坐标值。
（3）在该坐标系中做出对应的图像，并根据图像说明这一猜想是否正确。
解析 （1）根据表中有关数据计算，易求出与m对应的T[2]值，结果如下：
（2）以横坐标轴为m轴，纵坐标轴为T[2]轴、描点后做出图像，如上图所示。
（3）由图中观察到各点非常接近在同一条过原点的直线上，因此可认为T[2]∝m，即这一猜想成立。