电学设计性实验专题.doc

电学设计性实验与"拓展"性实验专题
如皋市薛窑中学邵平安

一、问题的提出
实验是物理学的基础，离开了实验，物理学就不会产生，更谈不上发展。物理实验发展到今天，已成为一门体系完整，方法严密，技术复杂的独立的分支学科。
中学物理教学大纲明确提出：中学物理教学要培养学生的观察、实验能力。目前进行的高考改革，更明确地提出：注重对学生能力和素质的考查，命题要把以知识立意转变为以能力立意。近几年的高考物理试题对实验的考查，已从考查一般性的实验知识记忆转向对实验能力的考查，并开始出现了以学生实验和演示实验为背景的设计性实验试题和以"拓展"为特征的实验题。
设计性实验和"拓展性"实验题的特点是：以高中物理演示实验与学生实验为基础和探索起点，命题者根据学生的认知结构和物理实验的一般特点，通过改变实验目的、实验要求、实验控制条件、测量对象、实验仪器、实验图景等，提出新的实验课题及实际问题，要求学生运用已学的实验理论和方法解决新情景下的实验课题及实际问题，或者要求学生运用新的实验方法设计新的实验。由于这种设计性实验和"拓展性"实验题是在原有学生实验中拓展而来的，渗透了新的实验思想方法及情景，因而既考查了学生对原有学生实验（主要是实验思想方法和实验理论）的掌握程度，又考查了学生运用原有实验理论和方法设计新情景实验以及运用新实验理论和思想方法设计新实验的设计创新能力。高考物理实验复习必须培养和训练学生的实验设计和创新能力。
二、解决问题的方法与典型例题分析
（一） 改变实验目的和要求，改进原有实验和设计新实验
改变原有学生实验的目的和要求可以从以下几个方面进行：（1）把原来的验证性实验变为测量性实验；（2）把原来的测量性实验变为验证性实验；（3）把原来验证某一规律的验证性实验变为验证另一规律的验证性实验；（4）把原来测量某一物理量的测量性实验变为测量另一物理量的测量性实验；（5）改变实验数据处理要求（例，要求运用图象方法处理实验数据）；（6）改变实验测量精度要求（例，要求减小实验测量误差）。
【例题1】（1999年高考上海卷）现有一阻值为10.0Ω的定值电阻、一个开关、若干根导线和一个电压表，该电压表表面上有刻度但无刻度值，要求设计一个能测定某电源内阻的实验方案（已知电压表内阻很大，电压表量程大于电源电动势，电源内阻约为几欧）要求：
（1）在右边方框中画出实验电路图：
（2）简要写出完成接线后的实验步骤；
（3）写出用测得的量计算电源内阻的表达式= 。
【点拨解疑】在分组实验中有测定电源的电动势和内电阻的实验，我们从该实验知道测定电源的电动势和内电阻，至少应使电源连接不同负载两次，然后利用全电路欧姆定律求解。但现在只有一个定值电阻可用作负载；另外，应由电流表和电压表两个表，但现在只有一只电压表，而且是没有刻度值的；不过考虑到电压表电阻很大，而且题目只要求测出电源的内阻，应该有变通的办法。
（1）我们可以把断路也作为一种负载状态，实验电路如图所示。S断开时，因电压表内阻远大于电源内阻，可认为是断路状态，S闭合时，又是一种负载状态。
（2）实验步骤如下：
①按电路图连接好电路。
②在开关S断开状态下读出电压表指针所在处的分度格数n1.
③闭合开关S，读出电压表指针所在处的分度格数n2.
（3）设电压表每一小分度表示的电压为U0。
S断开时，有 E=n1U0
S闭合时，有
解以上两式，得
（二）改变实验控制条件，运用新的实验思想方法设计、处理新实验
实验的精髓在于控制，每个物理实验都在一定的控制条件下进行的，改变了实验的控制条件，为了达到原有的实验目的，往往需改变原有的实验理论和实验方法。高中物理学生实验常隐含实验控制条件，在高考物理实验复习中，教师可以通过改变学生实验的控制条件来进行实验拓展，引导学生在新的实验控制条件下运用新的实验方法设计新的实验，处理实验数据，从而培养学生设计新实验的创新能力。
【例题2】（2001年高考理综卷）实验室中现有器材如实物图乙所示，有：电池E，电动势约10V，内阻约1Ω；电流表A1，量程约10A，内阻1约为0.2Ω；电流表A2，量程300mA，内阻2约5Ω；电流表A3，量程250mA，内阻3约5Ω；电阻箱R1，最大阻值999.9Ω，最小阻值改变量为0.1Ω；滑线变阻器R2，最大值100Ω；开关S；导线若干。
要求用图甲所示的电路测量图中电流表A的内阻。
（1）在所给的三个电流表中，那几个可以用此电路精确测出其内阻？答： 。
（2）在可测的电流表中任选一个作为测量对象，在实物图上连成测量电路。
（3）你要读出的物理量是 。用这些物理量表示待测内阻的计算公式是 。
【点拨解疑】该题要求根据电路图设想出实验原理。属于有一定提示的设计型实验。与我们学过的伏安法测电阻相比较，这里被测电阻是电流表的内阻，它能显示出通过自身的电流，因此只要知道其上的电压就行，但没有电压表，却有另一只电流表。根据电路图可以看出，如果图中表A是被测表，则其上电压就是电阻箱上电压，利用两只电流表的读数差和电阻箱上显示的阻值可以求出该电压，这样就可以求出电流表的电阻。
（1）电流表A1不能精确测出其内阻，因这时图中的电流表Aˊ应为A2、A3中的一只，这使得电流表A1中的电流不能超过300mA，其指针的偏转极其微小，误差很大。而A2、A3可用此电路精确测出其内阻。
（2）若测3，实物连线如图所示。
（3）根据前面的分析，要读出的物理量是A、Aˊ两电流表的示数I、Iˊ和电阻箱的阻值R1，待测内阻的计算公式是
评注：该题是分组实验原理迁移型的实验题，是高考实验题中常出现的一种。因此在做设计型实验题时，首先应回顾分组实验的实验原理，看看是否有迁移的可能。该题实际上是用比较法测电阻，比较待测电流表和电阻箱上的电流，从而比较出待测电流表的电阻。
（三）改变实验仪器，运用新的实验理论和方法设计新实验
这种"拓展性"实验题改变了原有测量性学生实验的测量仪器（包括测量对象），提出了在新的测量仪器下测量原有物理量或新的物理量的新的实验课题，学生运用原有学生实验中理论和方法无法解答的新实验课题。在高三物理实验复习中教师通过创设这种"拓展性"物理实验教学情景，引导学生进行探索创新，从而培养学生运用新的实验仪器、实验理论、实验方法设计新实验的创新能力。
【例题3】如图所示，四个相同的电流表分别改装成两个安培表和两个伏特表。安培表A1的量程大于A2的量程，伏特表V1的量程大于V2的量程，把它们按图接入电路，则
（1）安培表A1的读数 安培表A2的读数；
（2）安培表A1的偏转角 安培表A2的偏转角；
（3）伏特表V1的读数 伏特表V2的读数；
（4）伏特表V1的偏转角 伏特表V2的偏转角；
（填“大于”，“小于”或“等于”）
答案：大于 等于 大于 等于
易错点警示：没有深刻理解伏特表和安培表的内部结构和工作原理，进而不能将“读数”和“偏转角”物理的实质区分开来。

【例题4】《测量金属丝电阻》实验的拓展创新
　　[原有实验]：运用限流电路外接伏安法测量金属丝的电阻。
　　[实验拓展]：在复习中教师通过改变实验测量对象和仪器对 这个学生实验进行如下二个方面拓展：
　　拓展1 ：给定表二中实验仪器，要求设计一个方案测量电流表G1（量程1mA 内阻约300Ω）的内阻；

拓展2 ：给定表三中实验仪器，要求设计一个方案测量电流表A1（量程1mA 内阻约300Ω）的内阻；
　 学生在教师的指导下分别设计出上述二个由实验仪器改变产生的拓展性实验，分别为如图所示。左图中运用分压电路和比较的实验思想方法进行设计，右图中运用分压电路和半偏实验方法进行设计。通过上述实验拓展复习教学，培养了学生运用新的实验思想方法设计新实验的设计创新能力。
（四）创设新的实验图景，迁延创新设计应用
很多学生实验中渗透了物理理论、物理实验思想方法、物理实验技术，这些实验理论、方法、技术往往具有较高的应用价值，从某种意义上讲，物理实验教学中进行学生实验教学的一个重要目的是要求学生能把握上述这些实验理论、方法及技术，并能迁移应用到新的实验图景和新的实际问题中去。在物理高考实验复习中，教师通过创设一种新的实验图景和应用图景来拓展原有的学生实验，要求学生运用原有实验中学到的实验理论、方法、技术来设计新实验课题的新方案，处理新实验数据，解决新的实际应用问题，从而培养学生把所学的实验理论、方法、技术迁移应用于新领域的创新能力。
【例题5】有一根细长而均匀的金属材料样品，截面为外方（正方形）内圆，如图所示。此金属材料质量约为0.1—0.2kg，长约为30cm，电阻约为10Ω。已知这种金属的电阻率为，密度为。因管线内径太小，无法直接测量，请根据下列提供的实验器材，设计一个实验方案测量其内径d
A．毫米刻度尺 B．螺旋测微器
C．电流表（600mA 10Ω） D．电流表（3A 0.1Ω）
E．电压表（3V 6kΩ） F．滑动变阻器（2kΩ 0.5A）
G．滑动变阻器（10Ω 2A） H．直流稳压电源（6V 0.05Ω）
I．开关一个，带夹子的导线若干
（1）除待测金属材料外，应选用的实验器材有 （只填代号字母）。

（2）画出你所设计方案的实验电路图，并把所选仪器连成实际测量电路。

（3）用已知的物理常量和所测得的物理量，推导出计算金属管线内径d的表达式。
解答：（1）A、B、C、E、G、H、I
（2）如下图。一般要求注意：①按原理图接线；②电流表外接还是内接，准确测量应选择的量程；③变阻器分压式连接还是限流式连接；④开关接通后输出电压最小；⑤电流方向与电表极性一致。
（3）设长度为l，截面外边长为a，两端电压为U，电流强度为I.
电阻，横截面积

故有
解得
易错点警示：（1）中漏选B和I，认为金属线边长可以用毫米刻度尺测量。（2）中画成限流接法。（3）中符号不规范，没有用直接测得的量来表达直径d。
变式训练：若截面为外方（正方形）内梅花形，测出空心梅花的截面积。

【例题6】《分压控制电路》的拓展移植应用
　　分压式控制电路是高中物理电路实验中常用的一种控制电压变化的电路，它有很高的实际应用价值。在高三物理实验复习中可对它作如下移植应用拓展。
　　[拓展应用] ：（此题系2001年上海市物理高考题） 某学生为了测量一物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面的压力（比例系数为k），如图所示。测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放一物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压U。
　　现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池各一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对物体质量的测量。
　　（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。
　　（2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并求出待测物体的质量m。
　　（3）请设想实验中可能会出现的一个问题。
　　上述高考实验拓展题要求学生运用高中物理实验中学到的分压控制电路来进行力电转换器的控制电路设计，通过解答这个实验拓展题，考查了学生运用分压电路解答实际问题的能力。
总之，中学的设计型和拓展性实验一般要求考生根据题目提出的目的、要求和给出的器材，设计出实验方案。这类题对考生的要求较高，要求考生能将课本中分组实验和演示实验的实验原理、实验方法迁移到新的背景中，要求考生深刻理解物理概念和规律，并能灵活运用，要求考生有较强的创新能力。
1．设计原则
（1）正确性：实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理。
（2）安全性：实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对仪器及人身造成危害。要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流。
（3）方便性：实验应当便于操作，便于读数，便于进行数据处理。
（4）精确性：在实验方案、仪器、仪器量程的选择上，应使实验误差尽可能的小。
（5）经济性：节约能源，节约经费。
2．设计思路
实验设计可用下面的框图表示
题目要求和给出的条件
演示和分组实验的实验原理
物理规律和原理
基本仪器的使用知识
需测物理量和所需器材
实验步骤
数据处理
实验原理

解决设计型和拓展性实验问题的关键是确定实验原理，它是进行实验设计的根本依据和起点，它决定应当测量那些物理量、如何安排实验步骤、如何处理数据等。实验原理的确定，要根据问题的要求和给出的条件，回顾分组实验和演示实验，寻找能够迁移应用的实验原理，或者回顾物理原理，寻找有关的物理规律，设法创设相关的物理情景，并根据已掌握的基本仪器核对是否能够测出必须测定的物理量。因此，掌握基本仪器的使用方法、基本的实验方法和基本物理原理是解答设计型和拓展性实验题的基础。

三、2005高考试题预测与训练：
1．图为测量电阻的电路，R x为待测电阻，R的阻值己知，
Rˊ为保护电阻，阻值未知。电源E的电动势未知，K1、K2均为单刀双掷开关。A为电流表，其内阻不计。

（1）按图（a）所示的电路，在图（b）的实物图上连线。
（2）测量R x的步骤为：将K2向d闭合，K1向__________闭合，记下电流表读数I1，再将K2向c闭合， K1________向闭合，记电流表读数I2。计算R x的公式是R x=__________
2．已知一个区域的地下埋有一根与地表面平行的直线电缆，电缆中通有变化的电流，在其周围有变化的磁场，因此可以通过在地面上测量闭合试探小线圈中的感应电动势来确定电缆的确切位置、走向和深度。当线圈平面平行地面测量时，在地面上a、c两处测得试探线圈中的电动势为零，b、d两处的电动势不为零，当线圈平面与地面成45°夹角时，在b、d两处测得试探线圈中的电动势为零。经过测量发现：a、b、c、d恰好位于边长为1m的正方形的四个顶角上，如图8所示，据此可以判断地下电缆在 两点连线的正下方，离地表面的深度为 m。
3．黑箱有A、B、C三个接线柱，两个接线柱间最多只能接一个元件。黑箱内的元件是一只电阻和一只二极管．某同学用正确的操作方法利用多用电表进行了6次测量，各次红、黑表笔的位置和测得的阻值如下表所示。可以判定：
红表笔接
A
A
B
B
C
C
黑表笔接
B
C
A
C
A
B
测得阻值(Ω)
100
10K
100
10.1K
90k
190k

A B C
（1）电阻接在_______两点间，阻值为________Ω。
（2）二极管接在_____两点间，正极接在____点。其正向阻值为_____Ω，反向阻值为_____Ω。
4．从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A1的内阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测出多组数据。
（1）画出电路图，标明所用器材的代号。
（2）若选测量数据中的一组来计算r1，则所用的表达式为r1=
式中各符号的意义是： 。
器材（代号）
规格
电流表（A1）
量程10mA、内阻r1待测（约40Ω）
电流表（A2）
量程500μA、内阻r2=750Ω
电压表（V）
量程10V、内阻r3=10kΩ
电阻（R1）
阻值约为100Ω、做保护电阻用
滑动变阻器（R2）
总阻值约为50Ω
电源（E）
电动势1.5V、内阻很小
开关（S2）、电线若干

参考答案：
1．1．（1）如下图所示 （2）a，b，I 2R / I 1，

2．a 、c 0.71
3．（1）AB 100
（2）AC C 90 100K
4．（1）如下图所示的两个图中任一个均可 （2），I1、I2分别表示通过电流表A1和A2的电流，r1、 r2分别是它们的电阻。