初中物理微专题-引言：开放性实验设计通用解题思路 学案

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开放性实验设计题，往往是在某一特定情境下自选器材，设计实验，设计测量步骤，验证某一定理或测量某一量。在设计实验之前首先要明确题干情景所要考察的内容属于力热声光电的哪一部分。结合课本经典实验进行参考梳理思路，或结合特定的实验方法如：控制变量法、等效替代法、转换法、理想化物理模型法、科学推理法等设计实验。
1.器材的选择：结合题目情境和设计的实验步骤所需要测量的物理量，确定所使用的实验器材。也可先设计实验步骤，根据自己的实验需求，补写实验器材。常见的测量器材有：
①长度：刻度尺(直尺、卷尺)(特殊测量方法：棉线、滚轮、刻度尺间接测量);
②液体或固体体积：量筒、量杯，规则固体可用刻度尺;
③质量：天平(实验室)、电子秤、杆秤、磅秤(日常生活)，弹簧测力计间接测量;
④时间：秒表、钟;
⑤速度：速度计(汽车上)，平均速度：尺(皮尺)、钟表(秒表);
⑥温度：液体温度计(实验室用);体温计(测体温);寒暑表(测气温);
⑦力(重力、拉力、摩擦力、浮力)：弹簧测力计;
⑧液体的密度：密度计;天平、量筒;或弹簧测力计、量筒;
⑨固体的密度：天平、量筒;或弹簧测力计、量筒;
⑩液体的压强：压强计 大气压：气压计(水银气压计即托里拆利实验和无液气压计);
⑪电流：电流表 电压：电压表 电阻：电流表和电压表(伏安法)或欧姆表;
电功：电能表 电功率：伏安法或 电能表、秒表;
2.实验步骤的书写：
书写实验步骤语言要简洁规范，使用科学术语，尽量避免口语化的模糊表达，要具有可操作性。其一般书写步骤为：用某样测量工具，如何操作，测某物理量，给测得的物理量附一个专属字母。例如在称重法侧小石块浮力时实验步骤书写为：将小石块挂在弹簧测力计下（操作步骤），用弹簧测力计（选用器材），测得小石块的重力为G（测得的物理量与所附字母）
3.实验表格的设计：
物理实验表格的设计要体现控制变量的原则，同时兼顾实验数据的记录和处理。一般表格的纵向为实验组数（至少三组），横向为所测数据和需要处理的数据。其书写内容包括①汉字书写的测量内容②测量内容对应的字母③该物理量使用的单位。例如在探究杠杆平衡条件的实验中设计表格为：
4.实验结论的书写：
物理实验结论必须严格按照控制变量的原则，强调在某某量一定的情况下，一个量与另外一个量的关系。能使用定量关系的尽量使用定量关系，如：在电压一定时，导体中的电流跟导体的电阻成反比。不能使用定量关系的结论，再用定性关系去表述，如：金属导体的电阻随温度的升高而增大。
1．有一个用银铜合金（合金的质量等于组成合金的两种金属质量之和，合金的体积等于组成合金的两种金属体积之和）制成的工艺品，请你自选器材，想办法测出该工艺品含银的体积，请写出测量方法和银体积的表达式.（该工艺品放不进量筒，能放进大烧杯）
2．条形磁体有两个磁极，分别是南极（S）和北极（N），两个磁极分别位于条形磁体的两端．小阳在实验时不小心将条形磁体摔断了，如图所示．小阳认为断开后的 AB段、CD 段上都只有一个磁极．请你自选器材证明小阳的观点是错误的．要求至少用两种方法进行证明，说明所使用的器材、简要步骤和主要现象．
3．北京水立方中游泳池的水深设计比一般标准游泳池深了0.5m，小芳认为：浮力的大小跟水的深度有关，请你自选器材，设计实验证明小芳的观点是错误的．
请简述（1）实验步骤；（2）实验现象；（3）实验分析与结论．
4．如图是生活中常用的小茶杯，请你在下列器材中选择合理的题材，利用浮力等相关知识设计一个测量小茶杯密度的实验．
备选器材：若干个量筒、溢水杯和烧杯，记号笔、足量水（小茶杯可以放入溢水杯、烧杯，但放不进量筒）
要求：
（1）简述实验步骤（如需将小茶杯放入水中，请明确表述小茶杯放入水中的具体操作）：用符号表示有关的物理量．
（2）利用测出的物理量写出小茶杯密度的表达式（水的密度用ρ水表示）
实验序号
动力F1/N
动力臂l1/m
阻力F2/N
阻力臂l2/m
1
2
3
4
参考答案：
1．方法见解析；
【详解】测量方法：①用天平测出工艺品的质量；②将大烧杯适当倾斜后装满水，将工艺品慢慢浸没在水中，用量筒收集从烧杯中溢出的水，读出其体积．
由可得：
，
整理得：
，
表达式：
．
2．方法一：将其中一段 AB 的两端摆放多个小磁针，发现小磁针的 N 极都指向 A 端，S极都指向 B 端，说明 AB 两端是两个不同的磁极，所以小阳的观点是错误的；
方法二：将 AB 段磁铁放入足量的铁屑中，发现两端吸了很多铁屑，说明 AB 段上仍有两个磁极，所以小阳的观点是错误的．
【分析】（1）每个磁体都有两个部位的磁性最强，叫磁极；
（2）根据磁极间同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引进行判断．
【详解】根据磁极间的相互作用进行判断：
（1）将其中一段 AB 的两端摆放多个小磁针，发现小磁针的 N 极都指向 A 端，S极都指向 B 端，说明 AB 两端是两个不同的磁极，可以验证小阳的观点是错误的；
（2）根据条形磁体的两端磁性最强设计方法：将 AB 段磁铁放入足量的铁屑中，发现两端吸了很多铁屑，说明 AB 段上仍有两个磁极，可以验证小阳的观点是错误的．
3．（1）实验步骤：
①用弹簧测力计测出实心金属块的重力G；
②将实心金属块浸没水中的不同深度处，并记录弹簧测力计的示数F；
③利用F浮=G-F，计算出弹簧测力计在水中不同深度所受的浮力，比较它们的大小；
（2）实验现象：会看到金属块浸没在不同深度时，弹簧测力计示数都相等，所以每次实验金属块受到的浮力是相等的；
（3）结论：浸没在水中的物体，所受浮力大小和深度无关．说明小芳的结论是错误的．
【分析】设计实验时，要注意控制变量法的运用，在确保ρ液和V排不变的前提下，进行实验的设计；改变物体的深度，利用测力计分两步测出物体的浮力，然后分析数据，去获取结论．
【详解】设计实验时，需要利用称重法测量物体在液体中受到的浮力，需要用弹簧测力计测出实心金属块的重力G；探究浮力与深度的关系，根据控制变量法，保持液体的密度和排开液体的体积不变，改变物体在液体中的深度，所以将实心金属块浸没水中的不同深度处，并记录弹簧测力计的示数F；利用称重法F浮=G-F，计算出弹簧测力计在水中不同深度所受的浮力，比较它们的大小；实验现象：会看到金属块浸没在不同深度时，弹簧测力计示数都相等，所以每次实验金属块受到的浮力是相等的；由实验现象可得浸没在水中的物体，所受浮力大小和深度无关．
4．（1）见解析所示；（2）ρ=ρ水．
【详解】根据题意，选择实验器材：除了要测量的茶杯外，选择溢水杯，量筒，水进行实验．
（1）步骤如下：
①溢水杯装满水，使小茶杯慢慢漂浮在水面，溢出的水流入量筒中；
记下排出的水的体积V1；
②再次在溢水杯中装满水，将小茶杯压入水中，使其浸没，溢出的水流入量筒中；
记下排出的水的体积V2：
（2）由以上步骤可知，漂浮时，浮力等于排开水的重力，即，
故茶杯的质量表示为：；
浸没时，排开水的体积等于茶杯的体积，即，
所以小茶杯密度为：
．
点睛：要理解此方法测量密度的原理，利用漂浮时浮力等于重，可以将物体的质量表示出，再将物体浸没时，排开水的体积即为物体的体积，最后根据得出表达式．