轮能力专题实验设计的基本方法.ppt

2006-2007 高考复习 第二轮能力专题第二轮能力专题: : 实验设计的基本方法实验设计的基本方法 2007、3 专题解说专题解说一一. .命题趋向与考点命题趋向与考点 实验设计：实验设计： 根据实验目的，运用掌握的物理规律、实验根据实验目的，运用掌握的物理规律、实验 方法，选择配套的仪器、器材设计实验方案。设计方案包方法，选择配套的仪器、器材设计实验方案。设计方案包 括选用合适的实验方法、选择配套的实验器材、安排正确括选用合适的实验方法、选择配套的实验器材、安排正确 的实验步骤、设计科学的数据处理方法，采用客观的误差的实验步骤、设计科学的数据处理方法，采用客观的误差 分析方式，最后给予总结和评价。分析方式，最后给予总结和评价。 对实验设计的考查具体体现在：对实验设计的考查具体体现在： 在给定的条件下，进行实验设计；在给定的条件下，进行实验设计； 给出测量数据，选择数据处理的方法；给出测量数据，选择数据处理的方法； 给定原理和器材，设计实验方案；给定原理和器材，设计实验方案； 给出实验过程和情景，判断过程和方法的合理性等。给出实验过程和情景，判断过程和方法的合理性等。 1.1.实验设计的基本原则：实验设计的基本原则： (1)(1)科学性：科学性：科学的方案应有科学的依据及正确的方式。科学的方案应有科学的依据及正确的方式。 专题解说专题解说 (2)(2)安全性：安全性：设计的方案实施时，应安全可设计的方案实施时，应安全可 靠，不会对仪器、实验者造成危害。靠，不会对仪器、实验者造成危害。 (3)(3)精确性：精确性：实验误差应控制在允许范围之内，尽可能选实验误差应控制在允许范围之内，尽可能选 择误差较小的方案。择误差较小的方案。 (4)(4)可操作性：可操作性：设计方案应便于操作、读数，便于进行数设计方案应便于操作、读数，便于进行数 据处理和观察。据处理和观察。 2.2.实验设计的基本思路：实验设计的基本思路： (1)(1)根据实验目的及题目的条件和要求，构思相关的物理根据实验目的及题目的条件和要求，构思相关的物理 情景。情景。 (2)(2)确定实验原理、方法。确定实验原理、方法。 (3)(3)选择实验器材。选择实验器材。 (4)(4)写出实验步骤。写出实验步骤。 (5)(5)观察实验现象与记录实验数据。观察实验现象与记录实验数据。 (6)(6)实验的结论及误差分析。实验的结论及误差分析。 专题解说专题解说二二. .知识概要与方法知识概要与方法 在中学阶段涉及的主要是以下一些方法：在中学阶段涉及的主要是以下一些方法： 1 1设计实验原理设计实验原理 （1 1）控制变量法。）控制变量法。如：在如：在“ “验证牛顿第二定律的实验验证牛顿第二定律的实验” ”中中 ，加速度、力和质量的关系控制。在，加速度、力和质量的关系控制。在“ “研究单摆的周期研究单摆的周期” ”中中 ，摆长、偏角和摆球质量的关系控制。，摆长、偏角和摆球质量的关系控制。 （2 2）近似替代法。）近似替代法。用伏安法测电阻时，选择了合适的内用伏安法测电阻时，选择了合适的内 外接方法，一般就忽略电表的非理想性。外接方法，一般就忽略电表的非理想性。 （3 3）等效替代法。）等效替代法。某些量不易测量，用较易测量的量替某些量不易测量，用较易测量的量替 代。在代。在“ “验证碰撞中的动量守恒验证碰撞中的动量守恒” ”的实验中，两球碰撞后的的实验中，两球碰撞后的 速度不易直接测量，在将整个平抛时间定为时间单位后，速度不易直接测量，在将整个平抛时间定为时间单位后， 速度的测量就转化为对水平位移的测量了。速度的测量就转化为对水平位移的测量了。 专题解说专题解说二二. .知识概要与方法知识概要与方法 （4 4）模拟法。）模拟法。当实验情景不易或根本无法创设时，可以当实验情景不易或根本无法创设时，可以 用物理模型或数学模型等效的情景代替，尽管两个情景的用物理模型或数学模型等效的情景代替，尽管两个情景的 本质可能根本不同。本质可能根本不同。“ “描绘电场中的等势线描绘电场中的等势线” ”的实验就是用的实验就是用 电流场模拟静电场。电流场模拟静电场。 （5 5）微小量放大法。）微小量放大法。微小量不易测量，勉强测量误差也微小量不易测量，勉强测量误差也 较大，实验时常采用各种方法加以放大。卡文迪许测定万较大，实验时常采用各种方法加以放大。卡文迪许测定万 有引力恒量，采用光路放大了金属丝的微小扭转；在观察有引力恒量，采用光路放大了金属丝的微小扭转；在观察 玻璃瓶受力后的微小形变时，使液体沿细玻璃管上升来放玻璃瓶受力后的微小形变时，使液体沿细玻璃管上升来放 大瓶内液面的上升。大瓶内液面的上升。 2 2控制实验误差控制实验误差 (1)(1)多次测量法。多次测量法。多次测量法减小偶然误差，这是所有实多次测量法减小偶然误差，这是所有实 验必须采取的办法，也是做实验应具有的基本思想。验必须采取的办法，也是做实验应具有的基本思想。 专题解说专题解说二二. .知识概要与方法知识概要与方法 （2 2）积累法。）积累法。一些小量直接测量误差较大，可以累积起一些小量直接测量误差较大，可以累积起 来测量，以减小误差。来测量，以减小误差。“ “用单摆测定重力加速度用单摆测定重力加速度” ”的实验中的实验中 ，为了减小周期的测量误差，不是测量完成一次全振动的，为了减小周期的测量误差，不是测量完成一次全振动的 时间，而是测量完成时间，而是测量完成30503050次全振动的时间。次全振动的时间。 3 3数据处理数据处理 （1 1）逐差法。）逐差法。这就是用打点计时器打出的纸带计算加速这就是用打点计时器打出的纸带计算加速 度时用到的方法，这种方法充分利用了测量数据，具有较度时用到的方法，这种方法充分利用了测量数据，具有较 好的取平均的效果。好的取平均的效果。 （2 2）图象法。）图象法。能从图象清楚看出物理量间的关系，在能从图象清楚看出物理量间的关系，在“ “描描 绘小灯泡伏安特性曲线绘小灯泡伏安特性曲线” ”的实验中，采用了这种方法得出的实验中，采用了这种方法得出 电阻与温度有关的结论；可用图象法求物理量的值，在电阻与温度有关的结论；可用图象法求物理量的值，在“ “ 测定电源电动势和内阻测定电源电动势和内阻” ”的实验中用图象法来求的实验中用图象法来求E E和和r r不仅不仅 有取平均的效果，还可以剔除个别有错误的测量数据。有取平均的效果，还可以剔除个别有错误的测量数据。 专题聚焦专题聚焦 例例1 1、把两个大小相同、质量不等的金属把两个大小相同、质量不等的金属 球用细线连接，中间夹一被压缩了的轻弹簧，置于摩擦可球用细线连接，中间夹一被压缩了的轻弹簧，置于摩擦可 以不计的水平桌面上，如图所示，现烧断细线，观察两球以不计的水平桌面上，如图所示，现烧断细线，观察两球 的运动情况，进行必要的测量，验证物体间相互作用时动的运动情况，进行必要的测量，验证物体间相互作用时动 量守恒量守恒. . （1 1）还必须添加的器材是：）还必须添加的器材是： （2 2）需直接测量的数据是：）需直接测量的数据是： （3 3）用所得数据验证动量守恒定律）用所得数据验证动量守恒定律 的关系式是：的关系式是： 答：答： （1 1）天平、直尺、铅锤、木板、白纸、复写纸、图钉）天平、直尺、铅锤、木板、白纸、复写纸、图钉 、细线等、细线等 （2 2）两小球的质量）两小球的质量m m 1 1 、m m 2 2 ，两小球做平抛运动的水平位移，两小球做平抛运动的水平位移 x x1 1 、x x 2 2 （3 3） （在误差允许的范围内）（在误差允许的范围内） 专题聚焦专题聚焦 例例2.2.有一台测体重的台秤，一只篮球，一有一台测体重的台秤，一只篮球，一 张白纸，一盆水，请设计一个实验方法，粗略测出篮球击张白纸，一盆水，请设计一个实验方法，粗略测出篮球击 地时对地的冲击力地时对地的冲击力. . 分析分析: :若使篮球击在台秤上进行测量，则一方面无法保证若使篮球击在台秤上进行测量，则一方面无法保证 冲击地面，秤面的力一样，另一方面球对秤面的冲击力是冲击地面，秤面的力一样，另一方面球对秤面的冲击力是 瞬时的，无法读取测量值瞬时的，无法读取测量值. .由于篮球击在平面上，它产生由于篮球击在平面上，它产生 的冲击力的大小与篮球和地面接触处形变量大小有关，因的冲击力的大小与篮球和地面接触处形变量大小有关，因 此，只要记录球击中地面时形变量大小就可以通过模拟的此，只要记录球击中地面时形变量大小就可以通过模拟的 方式再演现出来方式再演现出来. . F F 答：答：如图所示，将白纸铺在地面上，将篮如图所示，将白纸铺在地面上，将篮 球放入盛水的盆中弄湿；让球拍击地面上球放入盛水的盆中弄湿；让球拍击地面上 白纸，并留下球的水印白纸，并留下球的水印. .再将有水印的纸再将有水印的纸 铺在台秤秤面上，将球放在水印中心，用力缓慢压球，当铺在台秤秤面上，将球放在水印中心，用力缓慢压球，当 球发生的形变刚好与水印吻合时，台秤的读数即为冲击时球发生的形变刚好与水印吻合时，台秤的读数即为冲击时 冲击力的大小冲击力的大小 专题聚焦专题聚焦 例例3.3.实验室有一个可拆变压器，请设计一实验室有一个可拆变压器，请设计一 个实验方案，估测出变压器原、副线圈的匝数，所给实验个实验方案，估测出变压器原、副线圈的匝数，所给实验 器材有：一个可拆变压器、交流电压表、直流电源、滑线器材有：一个可拆变压器、交流电压表、直流电源、滑线 变阻器，小磁针、变阻器，小磁针、200 V 200 V 交流电源交流电源 、电键各一个、铜漆、电键各一个、铜漆 包线（规格与变压器原线圈所用漆包线相同）及导线若干包线（规格与变压器原线圈所用漆包线相同）及导线若干 . . 答：答： 依图依图( (a a) )连接电路连接电路, ,然后将小磁针的然后将小磁针的N N极靠近原极靠近原 线圈的一端线圈的一端, ,根据偏转情况判定线圈的绕向根据偏转情况判定线圈的绕向. . 按照与原线圈相同的绕向，用铜漆包线在原线圈上按照与原线圈相同的绕向，用铜漆包线在原线圈上 加绕加绕n n( (例如例如100)100)匝，将加绕后的线圈接入匝，将加绕后的线圈接入220 V220 V交交 流电路流电路, ,如图如图( (b b) )， 读出交流电压表的示数读出交流电压表的示数U U 1 1 拆除加绕的拆除加绕的n n匝线圈匝线圈, , 仍将原线圈接入仍将原线圈接入220 V220 V交流电路交流电路, ,闭合电键后闭合电键后, , 读出交流电压表的示数读出交流电压表的示数U U 2 2 , ,则则 专题聚焦专题聚焦 A A B B 例例4 4、如果用如果用F F表示滑动摩擦力的大小表示滑动摩擦力的大小, ,用用 F FN N 表示正压力的大小表示正压力的大小, ,则有则有F F F F N N , ,式中式中 叫做动摩擦因数叫做动摩擦因数. . 为了测量两张纸之间的动摩擦因数为了测量两张纸之间的动摩擦因数, ,某同学设计了一个实某同学设计了一个实 验验. .如图所示如图所示, ,在木块在木块A A和木板和木板B B上贴上待测的纸上贴上待测的纸, ,B B板水平固板水平固 定定, ,用测力计拉用测力计拉A,A,使使A A匀速向左运动匀速向左运动, ,读出并记下测力计的读出并记下测力计的 读数读数F,F,测出木块测出木块A A的质量的质量m,m,则则=F/mg=F/mg （1 1）该同学为什么要把纸贴在木块上而不直接测量两张）该同学为什么要把纸贴在木块上而不直接测量两张 纸间的滑动摩擦力？纸间的滑动摩擦力？ （2 2）在实际操作中，发现要保证木块）在实际操作中，发现要保证木块A A做匀速运动比较困做匀速运动比较困 难，实验误差较大你能对这个实验作一改进来解决这一难，实验误差较大你能对这个实验作一改进来解决这一 困难从而减小误差吗？困难从而减小误差吗？ 答：答：（1 1）可增大正压力，从而增大滑动）可增大正压力，从而增大滑动 摩擦力，便于测量摩擦力，便于测量 （2 2）只要将测力计的一端与木块）只要将测力计的一端与木块A A相连接相连接, ,测力计的另一端与墙测力计的另一端与墙 壁或竖直挡板之类的固定物相连壁或竖直挡板之类的固定物相连. .用手通过轻绳拉动木板用手通过轻绳拉动木板B,B,读出读出 并记下测力计的读数并记下测力计的读数F,F,测出木块测出木块A A的质量的质量m,m,同样有同样有=F/mg=F/mg 专题聚焦专题聚焦 例例5.5.在长方形的桌面上有秒表、弹簧秤、在长方形的桌面上有秒表、弹簧秤、 小砝码、天平、轻质细绳、支架，请利用这些器材较为正小砝码、天平、轻质细绳、支架，请利用这些器材较为正 确地测出桌面的面积。确地测出桌面的面积。 解：解： 在没有刻度尺的情况下，利用已学物理知识，转换在没有刻度尺的情况下，利用已学物理知识，转换 测其他物理量，再用物理规律求出所测物理量。测其他物理量，再用物理规律求出所测物理量。 用细线量出讲台桌面的长，并将它和小砝码连接做成用细线量出讲台桌面的长，并将它和小砝码连接做成 一个单摆；一个单摆； 让此摆摆动，测出让此摆摆动，测出3030次全摆动的时间次全摆动的时间t t 1 1 ； 求出周期求出周期T T 1 1 =t=t 1 1 /30/30，代入，代入L L 1 1 =T=T 1 1 2 2 g/4g/4 2 2 ，计算出，计算出L L 1 1 ； 用同样的方法求出讲台桌面宽用同样的方法求出讲台桌面宽L L 2 2 ； 讲台桌面的面积讲台桌面的面积 S = LS = L 1 1 LL 2 2 。 专题聚焦专题聚焦 例例6 6. .给你下列器材：待测电压表（量程为给你下列器材：待测电压表（量程为3 V3 V，内阻，内阻R R V V 约约 几千欧），电阻箱、滑线变阻器、蓄电池、电键、导线若几千欧），电阻箱、滑线变阻器、蓄电池、电键、导线若 干干. .请设计测定电压表内阻的实验方案请设计测定电压表内阻的实验方案. . 解：解： 按图连接电路，把变阻器按图连接电路，把变阻器R R滑到滑到b b端端 ，将电阻箱，将电阻箱R R 0 0 调到零，闭合开关调到零，闭合开关S,S,调节调节 变阻器变阻器R R的滑臂的滑臂P P，使电压表的示数为，使电压表的示数为3 V3 V ；调节电阻箱；调节电阻箱R R 的阻值，使电压表的示 的阻值，使电压表的示 数为数为1.5 V1.5 V；记下此时电阻箱的阻值；记下此时电阻箱的阻值R R. .断断 开开关开开关S S，拆除电路，则被测电压表的内，拆除电路，则被测电压表的内 阻阻R R V V = =R R 专题聚焦专题聚焦 例例7.7.用伏安法测定一个阻值约为用伏安法测定一个阻值约为25 K25 K ，额定功率为，额定功率为1/20W1/20W的电阻的阻值，备用仪器及元件有的电阻的阻值，备用仪器及元件有: : (1)(1)待测电阻待测电阻R R.(2).(2)直流电流表二只：直流电流表二只：A A 1 1 量程量程0 0 100A,100A,内阻约为内阻约为2K2K；A A 2 2 量程量程0 0500A500A，内阻约为，内阻约为 300.300. (3)(3)直流电压表三只：直流电压表三只：V V 1 1 量程量程0 01V,1V,内阻约为内阻约为10K10K;V;V 2 2 量程量程0 010V,10V,内阻约为内阻约为100K;V100K;V 3 3 量程量程0 050V,50V,内阻约内阻约 为为500K500K.(4).(4)电源三件（内阻不计）电源三件（内阻不计）: 1 1 二节干电池二节干电池, , 每节每节1.5V1.5V； 2 2 直流稳压电源直流稳压电源, ,输出电压输出电压15V,15V,额定电流额定电流1A1A ； 3 3 直流稳压电源直流稳压电源, ,输出电压输出电压50V,50V,额定电流额定电流0.5A0.5A.(5).(5)滑滑 动变阻器动变阻器R R 1 1 , ,电阻值电阻值1K,1K,额定功率额定功率1W1W.(6).(6)电键一个电键一个, ,导线导线 若干。若干。 试从以上所提供的仪器和元件中选择合适的规格及适宜试从以上所提供的仪器和元件中选择合适的规格及适宜 的线路，使得被测电阻的测量结果达到尽可能高的精确度的线路，使得被测电阻的测量结果达到尽可能高的精确度 。（。（1 1）画出电路图并标明所选仪器与元件的规格；（）画出电路图并标明所选仪器与元件的规格；（2 2） 简要说明设计的理由。简要说明设计的理由。 专题聚焦专题聚焦解：解： 设计如图所示。设计如图所示。 （2 2）理由说明如下：）理由说明如下： （A A）直接用电源接上）直接用电源接上R,R,则则: :用用50V50V电电 源源, ,则超过则超过R R的额定功率的额定功率; ;用用15V15V电源电源, , 则流过则流过R R的电流为的电流为600A,600A,电流表超过电流表超过 量程；量程；用用3V3V电源电源, ,则电流为则电流为120A,120A, 电流表量程不合适。电流表量程不合适。 （B B）用变阻器作限流器）用变阻器作限流器, ,则则: :用用50V50V电源电源, ,则超过则超过R R的额定的额定 功率；功率；用用15V15V或或3V3V电源电源, ,则没有合适量程的电流表。则没有合适量程的电流表。 （C C）用变阻器作分压器）用变阻器作分压器, ,则则: :用用50V50V电源，则超过电源，则超过R R 1 1 的的 额定功率；额定功率；用用3V3V电源，无合适量程的电压表。电源，无合适量程的电压表。 （D D）由于所用电压表）由于所用电压表V V 2 2 的内阻较大，所以将电流表内接的内阻较大，所以将电流表内接 。 专题聚焦专题聚焦 例例8.8. 如图所示，水平桌面上固定着斜面如图所示，水平桌面上固定着斜面 体体 A A ，有小铁块，有小铁块 B B 斜面体的斜面是曲面，由其截面图可以斜面体的斜面是曲面，由其截面图可以 看出曲线下端的切线是水平的现提供的实验测量工具有看出曲线下端的切线是水平的现提供的实验测量工具有 ：天平、直尺：天平、直尺 其它的实验器材可根据实验需要自选其它的实验器材可根据实验需要自选 现要设计一个实验，测出小铁块现要设计一个实验，测出小铁块 B B 自斜面顶端由静止下滑自斜面顶端由静止下滑 到底端的过程中，小铁块到底端的过程中，小铁块B B克服摩擦力做的功请回答下克服摩擦力做的功请回答下 列问题：列问题： (1)(1)除题中供给的器材处，还需要选用的器材是：除题中供给的器材处，还需要选用的器材是： _ (2)(2)简要说明实验中需要测量的物理量简要说明实验中需要测量的物理量( (要求在图上标明要求在图上标明) ) (3)(3)写出实验结果的表达式写出实验结果的表达式 （重力加速度（重力加速度 g g 已知）已知） 专题聚焦专题聚焦解析：解析： 本实验测定小铁块克服摩擦力所本实验测定小铁块克服摩擦力所 做功的原理是动能定理和平抛运动的规律做功的原理是动能定理和平抛运动的规律 小铁块自斜面顶端由静止下滑到底端的过程中，根据动能小铁块自斜面顶端由静止下滑到底端的过程中，根据动能 定理定理 离开曲面后，小铁块做平抛运动，直到落地，则离开曲面后，小铁块做平抛运动，直到落地，则 所以所以 得得 显然，实验中需要测量的物理量是：斜面高度显然，实验中需要测量的物理量是：斜面高度H H、桌面高、桌面高 度度h h，小铁块平抛的水平距离，小铁块平抛的水平距离S S、小铁块质量、小铁块质量mm如图所示如图所示 ，其中，其中S S需用重锤线和白纸、复写纸来确定需用重锤线和白纸、复写纸来确定 答案答案 (1)(1)重锤线、铺在地面上的白纸重锤线、铺在地面上的白纸 和复写纸和复写纸 (2)(2)斜面高度斜面高度H H、桌面高度、桌面高度 h h，小铁块平抛的水平距离，小铁块平抛的水平距离S S，小铁，小铁 块质量块质量m. m. (3) (3) 专题聚焦专题聚焦 例例9 9某校学生在开展研究性学习的活动某校学生在开展研究性学习的活动 中，为了测量自行车在行驶中的阻力系数中，为了测量自行车在行驶中的阻力系数 k k 自行车所受阻自行车所受阻 力与其重力力与其重力mgmg的比值的比值, ,即即k=f/mg.k=f/mg.某学生依次做以下事情：某学生依次做以下事情： （1 1）找一段平直的路面，并在路面上画一道起点线；）找一段平直的路面，并在路面上画一道起点线； （2 2）用较快的初速度骑车驶过起点线，按下秒表，并从）用较快的初速度骑车驶过起点线，按下秒表，并从 车架上放下一团很容易辨别的橡皮泥；车架上放下一团很容易辨别的橡皮泥； （3 3）自行车驶过起点线后就不再蹬自行车的踏脚板，而）自行车驶过起点线后就不再蹬自行车的踏脚板，而 让其依靠惯性沿直线继续前进；让其依靠惯性沿直线继续前进； （4 4）待自行车停下，立即按下秒表读出行驶的时间）待自行车停下，立即按下秒表读出行驶的时间 t t ； （5 5）用尺量出起点线到终点的距离）用尺量出起点线到终点的距离 L L 、车架离地的高度、车架离地的高度 h h 及橡皮泥在地上的水平距离及橡皮泥在地上的水平距离 s s ； 根据上述操作，就可以得出自行车在行驶中的阻力系数根据上述操作，就可以得出自行车在行驶中的阻力系数 k k （要求用测量到的物理量来表示）。上述操作中不需要测（要求用测量到的物理量来表示）。上述操作中不需要测 量的物理量是量的物理量是_。 专题聚焦专题聚焦 答答: :方案一：方案一：自行车驶过起点线后，若不再蹬其脚踏板，自行车驶过起点线后，若不再蹬其脚踏板， 它做匀减速直线运动。