高考物理三轮复习 实验设计知识点串透

这是一份高考物理三轮复习 实验设计知识点串透，共9页。试卷主要包含了设计原则，题型，设计思路，流程如下，思考题等内容，欢迎下载使用。

一．设计型实验的设计思路和原则：
设计类实验：属实验知识的运用类，题在书外，理在书内。
1．设计原则：安全、科学性
精确（准确）性
方便易行性
省器材、节能
2．题型：a. 在已知的实验器材中选择合适的器材，选择合适的量程和电路，达到题设实验
目的；
b. 为达到题设实验目的，自选器材、装置或电路，安排实验步骤。
c. 电路计算、误差分析、故障排除等。
3．设计思路：
在熟练掌握学生分组实验基本原理和实验技能、技巧的基础上，认真审题，构建实验情景，寻找实验原理，设计出最优方案（经反复估算后才能得出）。
4．流程如下：
由实验目的→实验原理→实验情景模型→电路图、实验装置图→实验器材→实验步骤→待测物理量→递推用测出量表示的未知量的函数式→误差分析
5．思考题：a. 如何测电流表内阻？b. 如何测优特表的内阻？
二．设计型实验的命题方式
（一）试题列出所需实验器材，有实验步骤提示
这类试题条件充足，基本无迷惑性条件，解答较易，且与平时所学知识和方法有紧密联系，但也不能轻视。解答过程中需全面分析所列出的实验器材，抓住器材特点，联系实验步骤，并结合所学知识和方法，选择可行的实验方案，完成实验。
例1 如图所示的器材是：木质轨道(其倾斜部分倾角较大，水平部分足够长)，小铁块，两枚图钉，一条细线，一个量角器，用上述器材测定小
铁块与木质轨道间的动摩擦因素μ，实验步骤是：
(1)将小铁块从______________________；(2)用图钉把细线______________________；
(3)用量角器测量____________________；(4)动摩擦因素表示μ＝________________。
分析 试题所列器材中只有量角器可定 量测量，结合步骤提示，可猜测μ=tgθ，联系μ=tgθ的物理情景及物理意义，结合试题所列出的其它器材，可作如下解答：
(1)将小铁块从斜板上A点由静止释放，运动至水平板上B点静止； ，
(2)用图钉把细线拉紧固定在A、B两点间；
(3)用量角器测量细线与水平板间的夹角θ；
(4)动摩擦因素表示为μ=tgθ。
这类试题的条件有很强的迷惑性，解答过程中须加以全面分析，辅以一定的逻辑推理并结合所学知识和方法才能顺利完成实验。
（二）试题只列出所需全部实验器材，无其他任何提示
这类试题所提供的全部信息即实验器材，因而在解答过程中须紧紧抓住所列器材与可取实验方案间的联系，结合各器材的特点，逐步完 善实验方案，完成实验。
例2 已知待测电阻RX为9000欧姆左右，另有6伏直流电源(内阻不计)，一个电流表，一个电压表(两电表量程均合适)，一个阻值为200欧姆的滑线变阻器，一个电键和若干导线，请画出实验设计电路并简述其理由。
分析 就本试题而言，简述理由的过程即分析过程，也就是完成实验的过程，具体如下：
(1)有电流表、电压表且量程合适，可用伏安法测电阻；
(2)与两电表比较；Rx属大电阻，可用内接法；
(3)滑线变阻器最大阻值比R小得多，可用分压器接法；
(4)电键应对全电路起控制作用，须接在干路上。
实验设计电器如图所示。
。
分析 ①初审此题，最易选择用单摆法测重力的加速度，但所列实验器材中无秒表，
不能测单摆周期，故此方案不可行；②根据其它器材，可选用重锤作自由落体运动来测定重力加速度，器材齐全，但要注意：电源应选D。不需要测量质量，因而H不选，要处理纸带，因而A不可漏选；③在具体选用测量公式时，公式不是唯—的，可选用g＝v2／2h或g＝2h/t2均可。故此题应选用器材为：A、D、E、G，其它略。
例4 为了测量一个量程为0—3V的电压表的内阻Rv(约为几KΩ)，可以采用如图所
示的电路。
(1)在测量时，可供选择的实验步骤有：
A、闭合开关S； B、将电阻箱R0的阻值调到最大；
C、将电阻箱R0的阻值调到零；
D、调节电阻箱R0的阻值；使电压表指针指示1．5V，记下此时R0的值；
E、调节变阻器R的滑动片P，使电压表示数为3V；
F、把变阻器R的滑动片P滑到a端； G、把变阻器R的滑动片P滑到b端；
H、断开开关。
把必要的、合理的实验步骤选出来，按操作顺序将字母代号填在横线上
(2)若在步骤D中，读出R0的阻值为2400Ω，则电压表的内阻Rv= ________ ，用这种方法测出的内阻Rv与其真实内阻相比偏(大或小)。
分析 由(2)中提示可知，步骤D为测量过程的重要步骤，由步骤D可推断，在D之前只能是步骤E，根据E、D可以推断在E之前的步骤中可由B、C中选出C，至此，主要实验步骤已完成，其它按实验要求及操作过程可以继续完成，即实验步骤为：F、A、C、E、D、H。可见，这是一种粗略测量伏特表内阻的方法，在改变电阻箱R0的阻值过程中，忽略了Uap的变化，因而Rv=2400Ω，但实际上Uap在由步骤E到步骤D过程中略微增大，故考虑误差，则只R0<2400Ω，即测量值偏大．
三、实验设计内容
（一）设计实验方法 下面是测定“重力加速度”；“测定物体间动摩擦因素”及“测量干电池的电动势和内电阻”的几种方案，供参考：
测定重力加速度
（1）
（二）设计实验电路 根据给定的器材和实验提出的目的，画出或补全实验电路。
1．电路选择原理
（1）安培表内接、外接？
待测电阻Rx为小电阻，（Rx与RA可比、Rx<>Rx，伏特表的分流作用引起的安培表读数误差较小。）
反之待测电阻Rx为大电阻（Rx>>RA，Rx与RV可比，或Rx>或试探法中 eq \\ac(○,A)示数变化大）应采用安培表内接法。(因Rx>>RA，安培表的分压作用引起的电压表读数误差较小。）
（2）滑动变阻器限流法、分压器法？
①通常情况下优先考虑限流式，因为耗电少。
②在以下三种情况考虑分压式。
A当需要待测电路的电压从零开始连续变化。
B题中提供的仪表量程或电阻的最大允许电流不够（安全性原则和适用性原则）
C变阻器电阻远小于被测电阻或电路中串联的其它电阻（准确性原则和方便性原则）
（3）欧姆表挡位R×1、R×10、R×100如何选择？
先用R×10挡，调零欧后估测，若指针在中值附近，则Rx等于10×指示值；在指针偏角太小，则换用R×100，重新调零后测量，Rx=100×指示值；若R×10时指针偏角太大，则换用R×1挡，重新调零欧后测量，Rx=指针指示值。
（4）电阻测量的电路
①伏安法测电阻和替代法
②用欧姆表测量
此法简便易行，但读数误差较大；用久之后，内部电源发生变化，测量误差更大。因此此法只适用于要求不太高的测量。
③惠斯通电桥法
例题 如图，若uC=uD，则Rl／R2=R3／Rx，其中R1、R2为标准电阻，R3可用电阻箱代替。在C、D间接上灵敏电流计，调节R3，使电流计示数为零，则C、D两点一定为等势点。
④电桥伏安法
如图，此法利用电桥平衡原理实现伏安法测电阻。当调节C点位置使电桥平衡时，电流表示数是流过Rx的电流，电压表U的读数是两端电压，故Rx=U／I。这里完全排除了电
表内阻的影响，没有系统误差。
⑤电表内阻的测量
I. 测Rg时，用半偏法？等值替代法？电路计算法？
①若只有二只单刀单掷开关、一只待测表，还有二只电阻箱R1<只能采用半偏法，此时为了减少误差，应选电动势较大的电源，达到R2>>R1
（R2>100R1以上）；电路如下
②若有二只电流表和一只变阻器及电源单刀单掷开关等，可采用电路计算
法，此时另一只非待测表一定要已知量程和内阻RA，电路如下：
读出Fg支路I2及I1，由U=I1RA=I2Rg，得Rg=I1RA/I2
③若有二只电流表，一只电阻箱和一只单刀双掷开关、滑动变阻器可采用等
值替代法，电路如下：K接a，调R′，记下 eq \\ac(○,A)读数，然后K接b，保持R′不变，
调R使 eq \\ac(○,A)读数保持不变，则Rg=R。
④若有二只电流表，一只电阻箱（或定值电阻，其阻值与电流表阻值接近）
和一只单刀开关、滑动变阻器可采用电路计算法：如图，G为待测电流表，
为已知电阻，若把虚线框内电路看成一扩程电流表，则该电路为一改装表与标准
表的校对电路．设G、A表读数分别为I1、I，则由相关知识可知：为便于器材
选取与操作，R的阻值应≤1Ω(如0，5Ω)
II. 若欲测伏特表内阻RV，怎么办？
2. 电学实验器材如何选择？
a． eq \\ac(○,A)表量程如何选？ eq \\ac(○,V)表量程如何选？
通过估算，保证 eq \\ac(○,A)指针偏转范围在～最佳；同样 eq \\ac(○,V)指针偏转范围在～最佳。
b．变阻器如何选？
从安全性原则出发分析得，首先要求通过其最大电流小于其额定电流；从方便性和准确原则出发分析得，要求变阻器的最大阻值，在限流电路中尽量接近待测电阻或电路中串联的其它电阻，在分压电路中电阻尽量小。
c．电源如何选？
测电源电动势ε和内阻时，选内阻较大的旧电池；测电流计内阻Rg时，若采用半偏法测电阻时，应选电动势较大的电源，保证R2>>R1，以减小实验误差；在测小灯泡功率描伏安特性曲线时，在测金属的电阻率时，选电动势较小的电源；在打点计时器中选4～6V交流电压；在描等势线实验中选4～6V直流电源。
3. 实验线路的连接
分压式和限流式的接法要求：限流式是按“一上一下各一个”的原则，且使滑片处在阻值最大位置处；分压式是“一上二下”的原则，电源与开关串联以后直接接于下面两个连线柱，上面任一个接线柱引出导线和下面一个接线柱上引出导线（二线之间的电阻要小，保证初始取出的电压较小）将这两导线接至被测电路中。
连线的总思路为：
画出电路图→滑动变阻器连接→连接总回路→并联伏特表的电压较小。
(二）设计实验方法 题目给出实验目的、电路及一些附加条件，让学生设计实验方法，如98年的第20题，原题为：
用图中所示的电路测定未知电阻Rx的值，图中电源电动势未知，电源内阻与电流表的内阻均可忽略不计，R为电阻箱。
(1)若要测得Rx的值，R至少需要取___________个不同的数值。
(2)若电流表每个分度表示的电流值未知，但指针偏转角度与通的电流成正比，则在用此电路测Rx时，R至少需取____________ 个不同的数值。
(3)若电源内阻不可忽略，能否应用此电路测量Rx ? 答：___________。
照“伏安法测电阻”的实验，不同之处在于Rx上的电压U需要由电流表的示数I，与电阻箱上的对应读数R求出。
U=ε－IR
由欧姆定律可得
Rx=（ε－IR）/ I ①
由于电源电动势ε未知，故R取一个值不能求出Rx的值，必须再取一组值R′、I′同理得
Rx = （ε－I′R′）/ I ′②
由①②消去ε后解得
Rx = （I′R′- IR ）/ （I－I ′）③
即R至少需要取2个不同的数值才可测出Rx的值。
(2)电阻箱读数为R 时，设电流表的指针偏转角为θ，电流值为I，将电阻箱的阻值调为R′，使电流表指针的偏角变为2θ，此时电流表示数为I ′，则I ′=2I，将以上两种数值代人③式中可得Rx =R－2 R′，即R至少需取2个不同的数值，
(3)设电源内阻为r，只取三个值R1 、R2 、R3 ，对应的电流值为I1、I2、I3 ，由闭合电路欧姆定律得
ε = I1（R1 + Rx +r） ①，ε = I2（R2+ Rx +r） ②，ε = I3（R3 + Rx +r） ③
上述三个方程中显然只有三个未知量ε、Rx和r，却无法求出Rx (同学们可自己算一下)，即R无论取几个值都不能求出Rx值。
（三）设计处理实验数据
根某一物理规律或公式，设计实验情景，并给出实验数据，打好点的纸带或在图象上描出数据点，让学生求出实验测量值，如98年的第18题，原题为：
在LC振荡电路中，如已知电容C，并测得电路的固有振荡周期T，即可求得电感L，为了提高测量精度，需多次改变C值并测得相应的T值，现将测得的六组数据标示在以C为横坐标、T2为纵坐标的坐标纸上，即图中用“X”表示的点。
⑴T、L、C的关系为_____________ ⑵根据图中给出的数据点作出T2与C的关系图线
⑶求得的L值是___________。
分析与解答 (1)T=2π√LC 。
⑵如图所示，图线应为一条直线，数据点靠近直线且均匀分布在直线两侧。
⑶仔细观察图象上的数据可发现，纵坐标为3位有效数字，横坐标为2位有效数字，在图象上选取两个坐标点A(1X10一7，14．5 X 一8 ) 和(3．5x10—7， 51．0x10—8)，则
T2 / C = 1．46，L = 0．0365H
根据图上的数据点，正确读出纵，横坐标的有效数字的位数，是解答此问的关键。
（四）设计实验原理
用给定的器材测定某一物理量，要求学生写出实验原理。
例题 利用下列器材测当地的重力加速度、铁架台(附夹子)，长约1．5m的细线，下坠一个200g左右的石子、秒表、米尺，请写出实验原理。
分析与解答 设细线下端悬点到石子重心的距离为x，第一次实验测得摆线长为L1，摆长为(Ll+x)，测得周期为T1，由单摆的周期公式可得
T1=2π√(Ll+x)／g ①
将摆线长改变为L2，对应摆线长为（L2+x)，再测得周期为T2，则 T2=2π√(L2+x)／g ②
由①②消去x，解得g=4π2 (Ll —L2 )/ (T12—T22 )③
即测出长、短摆的摆线长L1、L2和对应的周期T1、T2代入③式就可算出g值。
（五）设计控制实验条件
用给定的器材测定某一物理量，要求学生写出需要控制的实验条件，控制方法及需要采取的措施等。
例题 例用下列器材测当地的重力加速度：铁架台(附夹子)，长约1．5m的细线，下坠一个200g左右的石子，秒表、米尺，为尽量减小实误差，需要采取哪些措施?控制哪些实验条件?
分析与解答 ①测摆长时应该悬测，而不能平测、摆长不应小于70cm，否则很难保证做简谐振动。
②长摆与短摆的摆长差应尽可能大些，以不小于50cm为宜，这样才可以保证差值(T12—T22 )的有效数字的位数不减少。
③摆球应尽可能贴近地面，以便用刻度尺来控制振幅，从而保证摆角小于5°，同时还可判断摆球是否沿直线做往复运动，避免锥摆现 ④计时的起始、终止位置，应是摆球的平衡位置，周期的测量应用累计平均法，全振动的次数不能少于30次。
（六）设计实验步骤
题目给出实验目的，器材等，让学生写出实验步骤，或题目中给出实验步骤，但次序凌乱，其中有错误，有空缺，有多余，要求学生指出错误并纠正、补全，而后指出合理的顺序等。
例题 今有二相同材料制成的物体A和B，一卷细绳，一架天平(带砝码)，一根米尺和
一张边缘带有定滑轮的桌子，请用以上器材(可以不全用，但不能增加)设计一个测量物块和桌面间滑动摩擦系数的实验。要求写出简单的实验步骤，画出装置图，并写出摩擦系数μ的表达式。
分析与解答 ①分别用天平称出A与B的质量mA和mB。②截取适当长的细绳，把A、B系在绳两端，③把A放在桌上，使B离地面适当高度h，如图所示，用直尺测出h，并将细绳拉紧，记下A在桌面上的位置。④放开B使之下落，量出A在桌面上滑动的距离x。
由动能定理得
mBgh -μmAgh=(mA+mB ) v2 / 2 ①
μmAg (x –h)= mA v2/2 ②
由 ①②解得 μ= mBh/[(mA+mB )x – mBh]