【设计性实验的解法】 设计性实验
时间：2019-02-12 03:30:10 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
近年来高考物理试卷对实验的考查，已从一般性的实验知识记忆转向对实验原理和方法的理解与迁移，出现了以学生实验和演示实验为背景的设计性实验试题。所谓设计性实验，就是打破现成的实验方案，在一些特定的要求和条件下自行设计新的实验方案和步骤，完成其实验要求。由于这种设计具有较大的灵活性，对学生综合能力的要求相当高，所以在考试中，学生的得分率普遍偏低。如何引导学生突破这一难点呢？下面谈一些自己不太成熟的观点。
一、紧抓实验原理，提高知识迁移能力
实验原理是实验的核心，在一定程度上决定着实验方法和实验步骤。充分理解实验原理是形成设计性实验能力的基础，因此要想提高学生设计能力实验，教师必须讲清实验原理，引导学生抓住实验原理这个“纲”。例如在电学实验中，绝大多数题目都直接或间接地涉及到电阻的测量，常用的方法一般有三种：伏安法，等效代替法和半偏法。这里提到的等效代替法指的是用一已知电阻值的实验器材(一般往往是电阻箱)来代替待测电阻而使电路中其它电表的示数不变，那么待测电阻的阻值就和这已知电阻值器材的电阻相等。学生掌握好这些原理，就为设计电学实验打下了基础。
［例1］为了较精确地测量一只微安表的内阻,要求用下列所提供的器材设计一电路图,实验室中可供选择的器材如下表所示:
请用上述器材设计一合理的电路图,并测出待测微安表的内阻。
【分析】从所给的实验仪器和题目的要求,首先来分析实验原理的选择。通过器材,可以发现由于没有其它电表,所以不可能采用伏安法或等效代替法测微安表的内阻,故只能采用半偏法。而半偏法要求滑动变阻器采用分压式接法,所以应选择电阻值较小的滑动变阻器R1。由此可得到如下电路图:
用半偏法测电阻时,也要注意操作过程。先将滑动变阻器R1上的滑片P移到左端,调整电阻箱R的阻值为零,合上开关S,再将滑片P缓慢右移,使微安表上电流满偏,固定滑片P不动,调整R的阻值,使微安表上读数正好是满刻度的一半,则此时R的电阻值就是微安表的内阻。
用学过的实验方法进行新的设计性实验，这就是知识的迁移。本题就是紧紧抓住了实验原理这个已有的知识来进行新的实验。可见，在设计性实验中，知识的迁移能力是必不可少的。
二、选择实验方法，培养创造性思维能力
要想提高设计实验能力，就要在平常的教学中培养学生的创造性思维能力。在传统的物理教学中，总是强调确定性，排斥可能性，培养出的学生往往长于求同，而弱于求异，缺少创新。以测量性实验为例，由于每一种测量仪器都有其固定的作用，如用刻度尺测长度等，但如果要求突破测量仪器固有的功能去测量一些看似没有因果联系得物理量，这就需要学生有较强的创造力。
[例2] 试用一根卷尺估测一堆砂粒间的动摩擦因数。
【分析】本题的设计可谓是“无法无天”，因为卷尺测得的长度与砂粒间的动摩擦因数似乎是风马牛不相及的两码事。但是，我们可以这样来思考，要测定砂粒间的动摩擦因数，必须让砂粒间发生相对运动；再联想到力学中一个常见的斜面模型，如图2（a）：逐渐增大斜面倾角θ使木块在斜面上将要发生相对滑动，受这一原型的启发，我们可将题目给出的一堆砂从高处慢慢漏下，在地面上形成一圆锥体，并不断增高以至高得不能再高，即表面砂粒将要开始滑动，如图2（b），此时的砂堆不就构成一“蠢蠢欲动”的斜面了吗？隔离出其表面的任一颗砂粒，不就相当于斜面上的一木块了吗？这样一来，通过θ这个中间变量即可把动摩擦因数u的测量转化为可用卷尺测量的长度（圆锥的高h和周长L）。
在物理实验中，将不易直接测量的物理量转化为另一种易观测的物理量进行测量的方法，称为转换法。本题运用的正是这种转换法。还有一些常用的实验方法，如比较法、放大法、补偿法、共轭法等。在实验设计的过程中，选择合适的实验方法是非常重要的。
三、做好误差分析，提升实验设计能力
一个成功的实验设计，不仅要能得出结论，而且要尽量减小实验误差。
[例3]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，并能测得多组数据。
(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_______________。
【分析】从所给的实验仪器和题目的要求，实验原理一定是伏安法。由于题目要求“并能测得多组数据”，故应选择滑动变阻器的分压式接法。符合条件的电路有如下两种正确电路，都可得出：r1=I2r2/I1，但通过误差分析可知图（a）方案最优。具体分析如下：对两个电路，r并=r1r2/(r1+r2)=38Ω。
对图（a），滑片在最右端，U并=0.4130V ，I1= U并/40=10mA，I2= U并/750=500μA。所以A1变化范围是0-10mA，A2的变化范围是0-500μA，该设计方案满足简捷、高精度、多次测量的要求。
对图（b），滑片滑至最右端，R、r1、r2并联，其阻值R并=22Ω，U并=0.27V，I1= 6.7mA，I2= 360μA，故A1的变化范围0-6.7mA，A2的变化范围是0-360μA。该设计方案也还可以，但不如第一种设计方案电流变化范围大。
此题通过对实验误差的分析，不仅使我们体会到实验的设计方法，而且还促进了对实验方案的改进。
总之，设计性实验的出现，对学生的实验能力提出了更高的要求。我们可以从学过的试验原理、试验方法和误差分析等方面入手，为设计试验打开思路。
