1、淺談初中物理實驗的設計技巧江蘇省海安縣張垛初中 226651 夏飛在物理實驗題中，有一類實驗設計題，題設巧妙，若能巧用相應的方法設計實驗，問題便迎刃而解，現剖析幾類，以作拋磚引玉一控制變量法設計實驗若研究對象與幾個物理因素有關，為了弄清研究對象與存在因素的關系，通常采用控制變量法設計實驗控制變量法：就是在研究物理問題時，為了弄清研究對象與某個因素的關系，使其它因素保持不變的方法例1國慶節假日，小敏幫助媽媽洗衣服，細心的她觀察到：媽媽將洗出來的衣服要用衣架撐開，放在通風、向陽的地方善于動腦筋的小敏思考這樣一個問題：液體蒸發的快慢跟哪些因素有關呢？通過觀察媽媽將洗出來的衣服用衣架撐開，放在通風、向

2、陽的地方提出如下猜想：液體蒸發的快慢可能與液體的溫度有關液體蒸發的快慢可能與液體的表面積有關液體蒸發的快慢可能與液體的表面空氣的流速有關為了弄清液體蒸發的快慢與存在因素的關系，小敏用控制變量法設計并進行了實驗，通過收集證據，歸納分析，從而得出了正確的結論現在請你設計實驗來驗證小敏的結論析與解：依據控制變量法，實驗步驟設計如下：研究水的蒸發快慢與溫度的關系將等量的水倒入兩個相同的杯子中，保持水的表面積、表面空氣的流速相同，使兩杯水的溫度不同，觀察兩杯中水蒸發的快慢發現液體的溫度越高，蒸發越快研究水的蒸發快慢與表面積的關系將等量的水倒入兩個大小不同的杯子中，使水的表面積不同，保持水的溫度、表面空氣

3、的流速相同，觀察兩杯中水蒸發的快慢發現液體的表面積越大，蒸發越快研究水的蒸發快慢與表面空氣流速的關系將等量的水倒入兩個相同的杯子中，保持水的表面積、水的溫度相同，使水的表面空氣的流速不同，觀察兩杯中水的蒸發快慢發現液體的表面空氣流速越快，蒸發越快二差值法設計實驗測定液體的密度，為了減小誤差，通常采用差值法設計實驗例2小華是個勤勞的好孩子，經常幫助媽媽做一些力所能及的家務活一天在炒菜時發現油浮在水面上，愛動腦筋的她想，油為什么會浮在水面上呢？探究了密度的知識后，她猜想可能是油的密度比水的密度小這激發了她的好奇心，她決定通過實驗來測定油的密度 小華通過查閱資料了解到，測定小石塊密度的實驗原理是：，

4、又了解到由于在測量過程中，測量的人、測量的工具都會造成測量誤差由測量工具形成的誤差，減小誤差的方法是選用更精密的測量工具；由測量的人形成的誤差，減小誤差的方法則常用多次測量取平均值的方法若是在測量過程中先用天平測出燒杯中食用油的質量，再將燒杯中食用油倒入量筒中測食用油的體積，測得油的質量值是準確的，將杯中的油倒入量筒中時，燒杯壁上會粘有少量的油而使測得的體積值偏小，從而測出的密度值偏大；若是在測量過程中先用量筒測食用油的體積，再將量筒中的油全部倒入燒杯中，用天平測出食用油的質量，測得油的體積值是準確的，將量筒中的油倒入燒杯中時量筒壁上會粘有少量的油，從而使測得的油的質量值偏小，從而測出的密度值

5、偏小由于在操作過程中燒杯壁或量筒壁上會粘有少量的待測液體，所以會形成誤差小華經過思考后改進后了測量方案，設計了合理的操作順序，從而減小了誤差，順利測出了油的密度請你設計出小華改進后測量油的密度的實驗步驟析與解：根據題意，用差值法設計實驗，實驗步驟如下：a把天平放在水平的工作臺面上，調節天平平衡； b往燒杯中倒入適量的油，用天平稱出燒杯和油的總質量為m1； c將燒杯中的部分油倒入量筒中，讀出量筒中油的體積為V；d用天平稱出燒杯和剩余油的質量為m2；e則被測油的密度為三替代法設計實驗替代法又稱等效替代法，由于替代的物體與被替代的物體在某一情境下作用的效果相同，通常用可直接測量的物理量代替不可直接測

6、量的物理量，是物理研究中常用的一種方法例3在物理實驗中常用到等效替代法例如，將一個7的電阻替換某支路中2 和5串聯的電阻，在其他條件不變的情況下，該支路中電流不變，說明一個7的電阻與阻值為2 和5串聯的電阻對電流的阻礙作用是等效的，所以可用7的電阻替代2和5串聯的電阻 在用如圖（1）所示電路測量未知電阻的實驗中，用的就是等效替代法其中RX是待測電阻(阻值大約幾百歐)，R是滑動變阻器，R0是電阻箱(電阻箱的最大電阻值大于RX) (1)請根據實驗電路圖把下列主要實驗步驟中的空白處填齊 按電路圖連好電路，并將電阻箱R0的阻值調至最大 閉合開關S1前，滑片P置于 (填“a ”或“b”)端 閉合開關S1

7、 閉合開關 ，調節滑片P，使電流表指針指在適當的位置，記下此時電流表的示數I 先斷開開關 ，再閉合開關 ，保持的電阻不變，調節 ，使電流表的示數仍為I (2)在此實驗中，若將電流表改為電壓表，其他器材不變，畫出用等效替代法測量RX電阻的實驗電路圖要求所設計的電路在連接好后，只能通過開關改變電路連接情況析與解：（1）根據題意可知，欲測出未知電阻RX的阻值，用可調節的電阻箱來替代未知電阻RX的阻值應先將未知電阻接入電路，所以應先閉合開關S3，調節滑動變阻器，使電流表指針指在適當的位置，記下此時電流表的示數I再斷開開關S3、閉合開關S2，調節電阻箱R0，使電流表的示數仍為I則此時電阻箱R0的示數大小

8、即為待測電阻RX的阻值的大小（2）根據題意可知，若將電流表改為電壓表，其他器材不變，則根據電表的特點：電流表與被測的用電器串聯，電壓表與被測的用電器并聯，所以將干路中的電流表去掉，在并聯電路部分并聯上電壓表即可再根據等替代法的規律，應先將未知電阻接入電路，所以應先閉合開關S3，調節滑動變阻器，使電壓表指針指在適當的位置，記下此時電壓表的示數U再斷開開關S3、閉合開關S2，調節電阻箱R0，使電壓表的示數仍為U則此時電阻箱R0的示數大小即為待測電阻RX的阻值的大小電路圖如圖（2）所示四分析法設計實驗 有一類實驗設計題，根據被測物理量的結果，依次層層逆向分析，逐步浮現出各研究對象之間物理量的關系，從

9、而尋找出被測量的物理量，使問題迎刃而解例4小婷是物理課外興趣活動的組長，在幫助實驗老師整理器材時，看到實驗桌上還有天平（包括砝碼及砝碼盒）、彈簧測力計、盛有適量水的水槽、壓強計、一只玻璃瓶、細線、一個小石塊、兩只大水杯，還有一杯未知的液體小婷感到很好奇，這杯液體是什么物質呢？老師提示小婷說：“可以通過測定液體的密度來進行判斷，你能測出它的密度嗎？”小婷經過思考，用幾種方法測出了未知液體的密度請你簡述小婷的主要測量步驟，并寫出測量液體密度的表達式析：此題題設巧妙，實驗器材豐富，實驗設計方法開放，能活躍學生的思維，激發學生的創新能力分析法設計實驗是物理實驗設計中常用的方法 方法一析：由測定物質密度

10、的原理和分析法可知，被測液體的密度，液體的質量m液可用天平測量，液體的體積V液無法用量筒測出；若使被測液體的體積V液等于已知液體水的體積V水，問題便轉化成了測水的體積V水，由密度公式可知被測水的體積，水的質量m水可用天平測量，水的密度水為已知，問題便迎刃而解實驗步驟如下：a.將天平放在水平工作臺面上，調節天平平衡；b.用天平稱出空瓶子的質量為m1；c.往瓶中注滿水，用天平稱出水和瓶子的總質量為m2；d.倒出瓶中的水，往瓶中注滿待測的液體，用天平稱出液體和瓶子的總質量為m3；e.待測液體的密度為方法二析：由液體壓強的規律p=gh和分析法可知，被測液體的密度，液體的壓強p液可用壓強計測出，壓強計的

11、金屬盒浸入液體中的深度無法用刻度尺測出；若使被測液體的深度h液等于已知液體水的深度h水，問題便轉化成了測水的深度h水，被測水的深度，水的壓強p水可由壓強計測出，水的密度水已知，問題便迎刃而解實驗步驟：a往水槽中注入一定深度的水h水，并在水面標上記號，用壓強計測出深度h水的水的壓強為p水；b倒出水槽中的水，往水槽中注入相同深度的液體h液，用壓強計測出相同深度的液體的壓強為p液；c待測液體的密度方法三析：由阿基米德原理F浮=液gV排和分析法可知，待測液體的密度，物體在液體中受到的浮力可用彈簧測力計測出，物體排開液體的體積V排無法用量筒測出；若使物體排開液體的體積V排等于物體排開水的體積V排水，問題

12、便轉化成了測物體排開水的體積V排水，被測物體排開水的體積，物體受到水的浮力F浮水可用彈簧測力計測出，水的密度水已知，問題便迎刃而解實驗步驟： a用彈簧測力計測出小石塊在空氣中的物重為G；b往水槽中注入適量的水，將小石塊浸沒在水中，讀出彈簧測力計的示數為F1；c倒出水槽中的水，往水槽中適量的待測液體，將小石塊浸沒在液體中，讀出彈簧測力計的示數為F2；d被測液體的密度為五橋梁法設計實驗有一類習題，前面的信息為后面的問題巧妙架設了橋梁，將兩個看似不相關的兩個問題，有機地結合在一起，這類習題不僅培養了學生的融會貫通能力，而且培養了學生的創新能力橋梁法設計實驗是近幾年實驗設計的一枝新秀例5如圖3(a)所

13、示，將一只小電鈴放在玻璃鐘罩內，接通電源，可清楚地聽到鈴聲用抽氣機逐漸抽去玻璃鐘罩內的空氣，鈴聲逐漸降低，這個實驗說明了 _ 為了說明大氣壓的存在，小亮同學做了“覆杯”實驗，如圖3(b)所示小明同學提出：硬紙片不掉下來是不是被水“粘”住了?請你設計一個實驗方案驗證：硬紙片不掉下來是由于大氣壓的作用，而不是被水“粘”住析：此題首先展現了聲音傳播條件的實驗，再引出“覆杯”實驗，然后提出問題，硬紙片不掉下來是不是被水“粘”住了?這兩個實驗之間有什么內在聯系？它們對實驗方案的設計有什么暗示？研究聲音傳播條件的實驗，說明了聲音傳播需要傳聲介質，從而推出真空不能傳聲“覆杯”實驗說明了大氣壓的存在怎樣才能說

14、明硬紙片不掉下來是由于大氣壓的作用，而不是被水“粘”住？根據逆向思維規律，“覆杯”實驗是由于大氣壓的存在，若沒有大氣壓，硬紙片將會落下來，怎樣才能使覆杯處在沒有大氣壓的環境中，聲音傳播條件的實驗為我們提供了這一實驗保障答：將“覆杯”實驗的裝置懸掛在玻璃鐘罩的中間，用抽氣機逐漸抽去玻璃鐘罩內的空氣，直到硬紙片掉下來，從而說明硬紙片不掉下來是由于大氣壓的作用，而不是被水“粘”住例6在日常生活中不難發現，晚上7點到9點，使用的用電器增多，家中電燈要暗一些，到了夜間11點以后，使用的用電器減少，電燈又會變得亮一些小華同學在實驗室中觀察到以下現象，實驗室中導線的長度比較短，電阻很小，可以忽略，可是實際的

15、輸電電線很長，電阻就大一些，他猜想：燈光變暗可能與輸電線的電阻有關你認為他的猜想對嗎？請你說出理由，設計電路并驗證他的猜想析：在照明電路中，干路導線與用戶串聯，用戶的用電器工作時，所有用戶可以看成是變阻器，在晚上7點到9點，用戶工作的用電器較多，并聯電路的支路越多，總電阻越小，用電器兩端的電壓就越低，由P=得，某一用電器R的阻值不變，電壓U變小，所以燈消耗的功率變小，燈要變暗一些；反之，到了夜間11點以后，電燈又會變得亮一些根據前面的分析，電路設計如圖（4）所示，定值電阻R0相當于干路導線的電阻，并聯部分的燈泡相當于用戶的用電器（燈泡的阻值與R0的阻值相差不大），依次閉合開關S1、S2、S3，

16、觀察燈泡的亮暗情況，若燈泡逐漸變暗，說明小華的猜想是正確的六探究法設計實驗探究法就是有一定的實驗基礎，但又缺少直接實驗的依據，根據科學研究獲得的信息，揭示出它們之間的內在聯系，并將可能存在的情況分析出來的研究方法例7人的眼睛像一架神奇的照相機，晶狀體相當于照相機的 鏡若來自遠方物體的光，經眼球折光系統折射后成像情況如圖（5）所示根據該圖，這個人可配戴裝有 鏡的眼鏡加以矯正經研究發現人體中鋅含量的高低與近視的發生有關(人體中鋅含量的高低可以通過測定空腹時血清中的鋅含量來確定)，若要研究這二者的相關性，請你設計完成下列研究過程：圖5(1)將同校同年級的同學按 分為兩組； (2) (3)（2分）探究血清中鋅含量的高低和近視的相關性析與解：此題題設巧妙，把我們“熟視無睹”的眼睛與我們熟悉的照相機進行對比，再引入視力缺陷可能產生的因素，進而探究視力缺陷與相關因素的關系，層層遞進，既鞏固了透鏡知識，又聯系了生活實際，進而設計實驗并進