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高中物理设计型实验的探究

中学物理是一门以实验为基础的学科，实验教学贯穿整个教学过程的始终，是物理教学的重头戏和高考命题的重要组成部分.高考实验题发生了明显的变化，已跳出了课本分组实验的范围，不仅延伸到演示实验中，而且出现了设计型实验。本文就如何进行高中物理设计型实验做了以下几点探究。

标签：高中物理；设计型实验；实验方法；实验原理；实验数据处理方法

设计型实验能够综合考查学生创造性地应用所学知识处理“看似陌生”实验的能力，那么怎样培养这一方面的能力呢？掌握教材上实验的操作过程、仪器的正确使用是基础、学会类比和知识的迁移才是根本。因为设计型实验实际上来源于教材，着重考查考生的迁移能力。

一、从实验方法的角度分析

例1.要测量2节干电池的电源电动势和内阻，给你如下器材：电阻箱、电压表、量程很小的电流表（内阻已知）、另有开关、导线。请给出两种测量电源电动势和内阻的方法，画出实验电路图并简述实验原理。本题与教材上实验的区别是：所给的电流表的量程很小，不能直接使用，即没有现成的电流表，能否用已给器材改装成电流表呢？

方法一：把小量程的电流表和电阻箱并联改装成大量程的电流表，然后与教材上相同的方法进行测量，实验原理与教材上相同，如图2。方法二：本题也可用电阻箱、电压表组合测量，实验原理及操作过程略，如图3。

评注：这类题对考生的要求较高，要求考生能将课本中分组实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，要求考生深刻理解物理概念和规律，并能灵活运用，要求考生有较强的创新能力。

二、从实验原理的角度分析

例2.某课题研究小组，收集了数码相机、手机等用旧了的各种类型的电池，及从废旧收音机上拆下的电阻、电容器、电感线圈。现从这些材料中选取一个待测元件—手机中常用的锂电池（电动势E标称值为3.8V，允许最大放电电流为90mA）。在操作台上还准备了如下实验器材：

A.电压表V（量程4V，电阻约为4.0kΩ）

B.电流表Al（量程100mA，电阻约为5Ω）

C.电流表A2（量程2mA，电阻约为50Ω）

D.滑动变阻器R1（O～20Ω，额定电流1A）

E.电阻箱（0～999.9Ω，最小分度值0.1Ω）

F.开关S一只、导线若干

某同学在测量锂电池的电动势E和内阻的操作过程中，发现滑动变阻器R1、电流表Al已损坏，请用余下的器材完成实验。

①请你画出实验电路图（标注所用器材符号）②分析处理数据一般采用图象法，试说明应如何建立直角坐标系更便于分析数据（即纵、横坐标各表示什么物理量）？

解析：（1）A1、R1已损坏，A2量程太小也不能使用，可用器材只有电压表、电阻箱及开关、导线。电路图为：图5。

（2）根据闭和短路欧姆定律有：电源的电动势，如果以电压和电阻箱的电阻作为纵、横坐标，图象很难画出，而且即使作出图象，也很难根据图象计算电动势和内阻，一般地，线型图象容易处理数据，所以只要把上式进行巧妙变换，可得线型关系为。以电压表示数的倒数为纵坐标，电阻箱电阻的倒数为横坐标建立直角坐标系，图线为直线。图线在纵轴上的截距的倒数为电源的电动势，图线的斜率为内阻和电动势的比值。

评注：这类题对考生的要求较高，要求考生能将课本中分组实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，要求考生深刻理解物理概念和规律，并能灵活运用，要求考生有较强的创新能力。

三、从实验数据处理方法角度分析

例题3.同学们通过查阅资料知道将锌、铜两电极插入水果中，电动势大约会有1伏多一点.现找来了一个土豆做实验，当用量程为0～3V、内阻约50kΩ的伏特表测其两极时读数为0.96V.将四个这样的水果电池串起来给标值为“3V，0.5A”的小灯泡供电时，灯泡并不发光.检查灯泡、线路均没有故障，而用伏特表测量其电压确实能达到1V多.据您猜想，出现这种现象的原因应当是：____________________________（不要求写分析、推导过程）.若实验室除了导线和开关外，还有以下一些器材可供选择：

A.电流表A1（量程为0～0.6A，内阻为1Ω）

B.灵敏电流表A2（量程为0～0.6mA，内阻为800Ω）

C.灵敏电流表A3（量程为0～300μA，内阻未知）

D.滑动变阻器R1（最大阻值约10Ω）

E.滑动变阻器R2（最大阻值约2kΩ）

F.定值电阻（阻值2kΩ）

G.变阻箱（0～9999Ω）

①为了能尽可能准确测定“土豆电池”的电动势和内阻，实验中应选择的器材是________（填器材前的字母代号）.

②画出应采用的电路.

思维步步高电池给灯泡供电，灯泡不亮的原因是什么？要想测量电源电动势及内阻，需要测量路端电压和干路电流，该问题中没有电压表，需要怎样进行处理？电阻箱能够起到什么作用？

解析：电池给灯泡供电，灯泡不亮是因为电路中电流很小，灯泡实际工作的功率很小，要想