第三章 实验设计 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 ...
第三章 实验设计 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R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。
（三）试题所列实验器材多于所需器材或试题所列实验步骤多于实际操作步骤，即实验条件须选择使用例3 为了测重力加速度g的值，实验室只有下列可供选择的器材： A、长度为1米的刻度尺；B、游标卡尺；C、连有细线的金属小球；D、低压交流电源；E、打点计时器(包括所附的纸带、复写纸、重锤等)；F、蓄电池； G、铁架台； H、天平。 (1)从上面所列器材中挑选必须的器材有_____________。(2)写出测重力和加速度的主要计算公式及简述其中的物理量的测量方法：____________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
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＝v／2h或g＝2h/t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R的阻值调到最大； C、将电阻箱R的阻值调到零； D、调节电阻箱R的阻值；使电压表指针指示1．5V，记下此时R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R= ________ ，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R的阻值过程中，忽略了U的变化，因而R=2400Ω，但实际上U在由步骤E到步骤D过程中略微增大，故考虑误差，则只R<2400Ω，即测量值偏大．
（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m和m。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mgh -μmgh=(m+m) v/ 2 ①μmg(x –h)= m v/2 ②由 ①②解得 μ= mh/[(m+m)x – mh]
