【文章內容簡介】 。 3．設計思路： 在熟練掌握學生分組實驗基本原理和實驗技能、技巧的基礎上，認真審題，構建實驗情景，尋找實驗原理，設計出最優(yōu)方案（經反復估算后才能得出）。 4．流程如下： 由實驗目的→實驗原理→實驗情景模型→電路圖、實驗裝置圖→實驗器材→實驗步驟→待測物理量→遞推用測出量表示的未知量的函數式→誤差分析 5．思考題： a. 如何測電流表內阻 ？ b. 如何測優(yōu)特表的內阻？ 二． 設計型實驗的命題方式 （一）試題列出所需實驗器材，有實驗步驟提示 這類試題條件充足，基本無迷惑性條件，解答較易，且與平時所學知識和方法有緊密聯(lián)系，但也不能輕視。解答過程中需全面分析所列出的實驗器材，抓住器材特點，聯(lián)系實驗步驟，并結合所學知識和方法，選擇可行的實驗方案，完成實驗。 例 1 如圖所示的器材是：木質軌道 (其傾斜部分傾角較大，水平部分足夠長 )，小鐵塊，兩枚圖釘，一條細線，一個量角器，用上述器材測定小 鐵塊與木質軌道間的動摩擦因素μ，實驗步驟是： (1) 將小鐵塊從 ______________________ ； (2) 用圖釘把細線______________________； (3) 用量角器測量 ____________________ ； (4) 動 摩 擦 因 素 表 示 μ ＝________________。 分析 試題所列器材中只有量角器可定 量測量，結合步驟提示，可猜測μ =tgθ，聯(lián)系μ =tgθ的物理情景及物理意義，結合試題所列出的其它器材，可作如下解答： (1)將小鐵塊從斜板上 A 點由靜止釋放，運動至水平板上 B 點靜止； ， (2)用圖釘把細線拉緊固定在 A、 B 兩點間； (3)用量角器測量細線與水平板間的夾角θ； (4)動摩擦因素表示為μ =tgθ。 這類試題的條件有很強的迷惑性，解答過程中須加以全面分析，輔以一定的邏輯推理并結合所學知識和方法才能順利完成實驗。 （二） 試題只列出所需全部實驗器材，無其他任何提示 這類試題所提供的全部信息即實驗器材，因而在解答過程中須緊緊抓住所列器材與可取實驗方案間的聯(lián)系，結合各器材的特點，逐步完 善實驗方案，完成實驗。 例 2 已知待測電阻 RX為 9000 歐姆左右，另有 6 伏直流電源 (內阻不計 )，一個電流表，一個電壓表 (兩電表量程均合適 )，一個阻值為 200 歐姆的滑線變阻器，一個電鍵和若干導線，請畫出實驗設計電路并簡述其理由。 分析 就本試題而言，簡述理由的過程即分析過程，也就是完成實驗的過程，具體如下： (1)有電流表、電壓表且量程合適，可用伏安法測電阻； (2)與兩電表比較； Rx 屬大電阻，可用內接法； (3)滑線變阻器最大阻值比 R 小得多，可用分壓器接法； (4)電鍵應對全電路起控制作用，須接在干路上。 實驗設計電器如 圖所示。 （三）試題所列實驗器材多于所需器材或試題所列實驗步驟多于實際操作步驟，即實驗條件須選擇使用 13 例 3 為了測重力加速度 g 的值，實驗室只有下列可供選擇的器材： A、長度為 1 米的刻度尺； B、游標卡尺； C、連有細線的金屬小球； D、低壓交流電源； E、打點計時器 (包括所附的紙帶、復寫紙、重錘等 )； F、蓄電池； G、鐵架臺； H、天平。 (1)從上面所列器材中挑選必須的器材有 _____________。 (2)寫出測重力和加速度的主要計算公式及簡述其中的物理量的測量方法： ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 分析 ①初審此題，最易選擇用單擺法測重力的加速度，但所列實驗器材中無秒表， 不能測單擺周期，故此方案不可行；②根據其它器材，可選用重錘作自由落體運動來測定重力加速度，器材齊全，但要注意：電源應選 D。不需要測量質量，因而 H 不選，要處理紙帶，因而 A 不可漏選；③在具體選用測量公式時，公式不是唯 — 的，可選用 g＝v2／ 2h 或 g＝ 2h/t2均可。故此題應選用器材為： A、 D、 E、 G，其它略。 三、實驗設計內容 （一）設計實驗方法 下面是測定“重力加速度”；“測定物體間動摩擦因素”及“測量干電池的電動勢和內電阻”的幾種方案，供參考： 測定重力加速度 （ 1） 14 15 （二）設計實驗電 路 根據給定的器材和實驗提出的目的，畫出或補全實驗電路。 1． 電路選擇原理 （ 1）安培表內接、外接？ 待測電阻 Rx為小電阻，（ Rx與 RA 可比、 RxRV、或 Rx AVRR 、或試探法中 ○V示數變化顯著）應采用安培表外接法； (因 RVRx，伏特表的分流作用引起的安培表讀數 16 誤差較小。） 反之待測電阻 Rx為大電阻（ RxRA， Rx與 RV可比，或 Rx AVRR 或試探法中 ○A示數變化大）應采用安培表內接法。 (因 RxRA，安培表的分壓作用引起的電壓表讀數誤差較小。） （ 2）滑動變阻器限流法、分壓器法？ ①通常情況下優(yōu)先考慮限流式，因為耗電少。 ②在以下三種情況考慮分壓式。 A 當需要待測電路的電壓從零開始連續(xù)變化。 B 題中提供的儀表量程或電阻的最大允許電流不夠（安全性原則和適用性原則） C變阻器電阻遠小于被測電阻或電路中串聯(lián)的其它電阻（準確性原則和方便性原則） （ 3）歐姆表擋位 R R R 100 如何選擇？ 先用 R 10 擋，調零歐后估測，若指針在中值附近，則 Rx等于 10指示值；在指針偏角太小，則換用 R 100，重新調零后測量， Rx=100指示值；若 R 10 時指針偏角太大，則換用 R 1 擋，重新調零歐后測量， Rx=指針指示值。 （ 4）電阻測量的電路 ①伏安法測電阻和替代法 ②用歐姆表測量 此法簡便易行，但讀數誤差較大；用久之后，內部電源發(fā)生變化，測量誤差更大。因此此法只適用于要求不太高的測量。 ③惠斯通電橋法 ④電橋伏安法 。 ⑤電表內阻的測量 I. 測 Rg 時，用半偏法？等值 替代法？電路計算法？ ①若只有二只單刀單擲開關、一只待測表，還有二只電阻箱 R1R2時， 只能采用半偏法，此時為了減少誤差，應選電動勢較大的電源，達到 R2R1 （ R2100R1以上）；電路如下 ②若有二只電流表和一只變阻器及電源單刀單擲開關等，可采用電路計算 法，此時另一只非待測表一定要已知量程和內阻 RA，電路如下： 讀出 Fg 支路 I2及 I1，由 U=I1RA=I2Rg，得 Rg=I1RA/I2 ③若有二只電流表，一只電阻箱和一只單刀雙擲開關、滑動變阻器可采用等 值替代法， 電路如下： K 接 a，調 R′，記下 ○A讀數，然后 K 接 b，保持 R′不變， 調 R 使 ○A讀數保持不變，則 Rg=R。 ④若有二只電流表，一只電阻箱（或定值電阻，其阻值與電流表阻值接近） 和一只單刀開關、滑動變阻器可采用電路計算法： 如圖， G為待測電流表， 為已知電阻，若把虛線框內電路看成一擴程電流表，則該電路為一改裝表與標準 表的校對電路．設 G、 A 表讀數分別為 I I，則由相關知識可知：為便于器材 選取與操作， Ro的阻值應≤ 1Ω (如 0， 5Ω ) II. 若欲測伏特表內阻 RV，怎么辦？ 2. 電學實驗器材如何選擇？ a． ○A表量程如何選？ ○V表量程如何選？ 通過估算xm RI?? ，保證 ○A指針偏轉范圍在 3AI ～ AI32 最佳；同樣 ○V指針偏轉范圍在3U ～ U32 最佳。 b．變阻器如何選？ 從安全性原則出發(fā)分析得，首先要求通過其最大電流小于其額定電流；從方便性和 17 準確原則出發(fā)分析得，要求變阻器的最大阻值，在限流電路中盡量接近待測電阻或電路中串聯(lián)的其它電阻，在分壓電路中電阻盡量小。 c．電源如何選？ 測電源電動勢ε和內阻時，選內阻較大的舊電池；測電流計內阻 Rg 時，若采用半偏法測電阻時，應選電動勢較大的電源，保證 R2R1，以減小實驗誤差；在測小燈泡功率描伏安特性曲線時，在測金屬的電阻率時，選電動勢較小的電源；在打點計 時器中選 4～ 6V交流電壓；在描等勢線實驗中選 4～ 6V直流電源。 3. 實驗線路的連接 分壓式和限流式的接法要求：限流式是按“一上一下各一個”的原則，且使滑片處在阻值最大位置處；分壓式是“一上二下”的原則，電源與開關串聯(lián)以后直接接于下面兩個連線柱，上面任一個接線柱引出導線和下面一個接線柱上引出導線（二線之間的電阻要小，保證初始取出的電壓較小 ） 將這兩導線接至被測電路中。 連線的總思路為： 畫出電路圖→滑動變阻器連接???滑片位置正確 限流分壓 ,→連接總回路?????導線不能交叉總開關控制所有元件電表的正負接線柱 →并聯(lián)伏特表的電壓較小。 （三）設計處理實驗數據 根某一物理規(guī)律或公式，設計實驗情景，并給出實驗數據，打好點的紙帶或在圖象上描出數據點，讓學生求出實驗測量值，如 98 年的第 18 題，原題為： 在 LC 振蕩電路中，如已知電容 C，并測得電路的固有振蕩周期 T，即可求得電感 L，為了提高測量精度，需多次改變 C 值并測得相應的 T 值，現將測得的六組數據標示在以C 為橫坐標、 T2為縱坐標的坐標紙上，即圖中用“ X”表示的點。 ⑴ T、 L、 C 的關系為 _____________ ⑵ 根據圖中給出的數據點作 出 T2與 C 的關系圖線 ⑶ 求得的 L 值是 ___________。 分析與解答 (1)T=2π √ LC 。 ⑵ 如圖所示，圖線應為一條直線，數據點靠近直線且均勻分布在直線兩側。 ⑶ 仔細觀察圖象上的數據可發(fā)現，縱坐標為 3 位有效數字，橫坐標為 2 位有效數字，在圖象上選取兩個坐標點 A(1X10 一 7， 14． 5 X 一 8 ) 和 (3． 5x10— 7， 51． 0x10— 8)，則 T2 / C = 1． 46， L = 0． 0365H 根據圖上的數據點，正確讀出縱，橫坐標的有效數字的位數，是解答此問的關鍵。 （四）設計實驗原理 用給定的器材測定某一物理量，要求學生寫出實驗原理。 例題 利用下列器材測當地的重力加速度、鐵架臺 (附夾子 )，長約 1． 5m的細線，下墜一個 200g 左右的石子、秒表、米尺，請寫出實驗原理。 分析與解答 設細線下端懸點到石子重心的距離為 x，第一次實驗測得擺線長為 L1，擺長為 (Ll+x)，測得周期為 T1，由單擺的周期公式可得 T1=2π √ (Ll+x)／ g ① 將擺線長改變?yōu)?L2，對應擺線長為（ L2+x)，再測得周期為 T2，則 T2=2π √ (L2+x)／ g ② 由①②消 去 x，解得 g=4π 2 (Ll — L2 )/ (T12— T22 )③ 即測出長、短擺的擺線長 L L2和對應的周期 T T2代入③式就可算出 g 值。 （五）設計控制實驗條件 用給定的器材測定某一物理量，要求學生寫出需要控制的實驗條件，控制方法及需要采取的措施等。 18 例題 例用下列器材測當地的重力加速度：鐵架臺 (附夾子 )，長約 1． 5m的細線，下墜一個 200g 左右的石子，秒表、米尺，為盡量減小實誤差，需要采取哪些措施 ?控制哪些實驗條件 ? 分析 與解答 ①測擺長時應該懸測，而不能平測、擺長不應小于 70cm，否則很難保證做簡諧振動。 ②長擺與短擺的擺長差應盡可能大些，以不小于 50cm 為宜，這樣才可以保證差值(T12— T22 )的有效數字的位數不減少。 ③ 擺球應盡可能貼近地面，以便用刻度尺來控制振幅，從而保證擺角小于 5176。，同時還可判斷擺球是否沿直線做往復運動，避免錐擺現 ④計時的起始、終止位置，應是擺球的平衡位置，周期的測量應用累計平均法，全振動的