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设计性实验
设计性实验
一、考纲分析：
1、考点分析：
设计性实验是高考考查的难点，主要考查课本上实验的基本原理和实验方法的迁移能力，在课标中共列出了如下的探究性实验
内 容
说 明
能级要求
Ⅰ
Ⅱ
探究弹簧弹力与弹簧伸长长度的关系
考试说明明确提出
探究物体的动能
新课标考试说明明确提出
探究加速度与物体质量、物体受力的关系
新课程标准提出（必修1）
探究恒力做功与物体动能变化的关系
新课程标准提出（必修2）
探究决定导线电阻的因素
新课程标准提出（选修3-1）
理解楞次定律
新课程标准提出（选修3-2）
探究变压器电压与匝数的关系
新课程标准提出（选修3-2）
探究单摆的周期与摆长的关系
新课程标准提出（选修3-4）
探究物体弹性碰撞的一些特点
新课程标准提出（选修3-5）
2、考查类型：
设计性实验主要以综合实验题的形式出现。
3、考查趋势预测：
从近几年的高考试题来看，加强了对实验创新能力的考查，例如2007年山东理综卷第23题考查电路设计问题、2007年宁夏理综卷第22题考查知识迁移和电路设计问题、2008年全国理综卷
第22题考查电路的连接图，电表的改装、2006年四川理综卷第22题考查考生利用米尺和铅笔设计测量金属丝直径问题。
预计2009年高考仍然会加强对设计实验的考查，且仍然是基本实验原理和实验思想的迁移能力的考查。
二、设计性实验处理的方法：
1.设计性实验的设计原则
（1）科学性：
设计的方案应有科学的依据和正确的操作方式。
设计方案中依据的原理应遵循物理规律，且要求选用的规律正确、简明；
设计方案中安排的操作步骤应该合理，且操作符合实验规则要求；
设计方案中进行数据处理及误差分析应依据科学的方法。
（2）安全性：
按照设计方案操作时，应安全可靠，不会对仪器、器材造成损害。
选用实验器材时，应考虑仪器、器材的性能及量值（如仪表的量程、用电器的额定值、弹簧的弹性限度等）的要求；
设计实验方案时，应考虑安排保护措施。
（3）精确性：
实验误差应控制在误差允许的范围内，尽量采取误差较小的方案。
在安装实验器材或使用仪器前，应安装实验要求对器材、仪器精心调整，如在使用某些仪表前，应注意进行机械调零；
选用合适的测量工具和合适的测量范围，使之与被测数据相匹配，如使用多用电表测量某电阻时，应选择合适的档位，使测量是的电表指针在中央刻度值附近；
实验中应多次测量，获取多组数据，避免因操作带来的偶然误差；
数据处理采用合适的方式，如根据题目的要求可以采用图像法、列表法等方式进行数据处理。
（4）简便性、直观性：
设计实验应便于操作、读数，便于进行数据处理。
2.设计性实验的设计思路
解决设计型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。
如果设计实验中没有给定（或给足）实验器材，则设计实验的基本思路如下：
（1）根据实验设计的条件和要求，构建相关的物理情景；
（2）确定实验原理；
（3）确定需要待测物理量；
（4）设计实验方案。
有时，对于同一个实验要求，可以构建不同的物理情景，导出不同的物理量的表达式，若把这些表达式作为实验设计的依据，会有不同的实验原理和实验方案。
如果实验实设计是已经给足实验器材，则实验设计只能根据所给定的器材来构建物理情景，相当而言，实验原理和实验方案都会受到较大的限制。
三、高考金题：
例1.（2007年江苏）如（a）图，质量为M的滑块A放在气垫导轨B上，C为位移传感器，它能将滑块A到传感器C的距离数据实时传送到计算机上，经计算机处理后在屏幕上显示滑块A的位移－时间（s－t）图像和速率－时间（v－t）图像。
整个装置置于高度可调节的斜面上，斜面的长度为l、高度为h。
（取重力加速度g＝9.8m/s2，结果可保留一位有效数字）
⑴现给滑块A一沿气垫导轨向上的初速度，A的v－t图线如（b）图所示。
从图线可得滑块A下滑时的加速度a＝m/s2,摩擦力对滑块A运动的影响。
（填“明显，不可忽略”或“不明显，可忽略”）
⑵此装置还可用来验证牛顿第二定律。
实验时通过改变，可验证质量一定时，加速度与力成正比的关系；实验时通过改变，可验证力一定时，加速度与质量成反比的关系。
⑶将气垫导轨换成滑板，滑块A换成滑块A/，给滑块A/一沿滑板向上的初速度，A/的
s－t图线如（c）图。
图线不对称是由于_______造成的，通过图线可求得滑板的倾角θ＝ __________（用反三角函数表示），滑块与滑板间的动摩擦因数μ＝
解答：
（1）6不明显，可忽略
（2）斜面高度h滑块A的质量M及斜面的高度h，且使Mh不变
（3）滑动摩擦力
解析：
（1）从图像可以看出，滑块上滑和下滑过程中的加速度基本相等，所以摩擦力对滑块的运动影响不明显，可以忽略。
根据加速度的定义式可以得出
（2）牛顿第二定律研究的是加速度与合外力和质量的关系。
当质量一定时，可以改变力的大小，当斜面高度不同时，滑块受到的力不同，可以探究加速度与合外力的关系。
由于滑块下滑加速的力是由重力沿斜面向下的分力提供，所以要保证向下的分力不变，应该使
不变，所以应该调节滑块的质量及斜面的高度，且使Mh不变。
（3）滑板与滑块间的滑动摩擦力比较大，导致图像成抛物线形。
从图上可以读出，滑块上滑和下滑时发生位移大小约为
上滑时间约为
，下滑时间约为
，上滑时看做反向匀加速运动，根据动学规律有：
，根据牛顿第二定律有
下滑时，有
，
联立解得
，
错易点悟：
本题涉及到的知识点有受力分析、匀变速直线运动规律、牛顿运动定律等，在解答过程中，考生在受力分析时容易丢掉力而导致出现计算错误。
例2、（2008年全国理综）一直流电压表，量程为1V，内阻为1000Ω,现将一阻值为5000~7000Ω之间的固定电阻R1与此电压表串联，以扩大电压表的量程.为求得扩大后量程的准确值，再给定一直流电源（电动势E为6~7V，内阻可忽略不计），一阻值R2=2000Ω的固定电阻，两个单刀开关S1、S2及若干线
（1）为达到上述目的，将答题卡上对应的图连成一个完整的实验电路图.
（2）连线完成以后，当S1与S2均闭合时，电压表的示数为0.90V；当S1闭合，S2断开时，电压表的示数为0.70V，由此可以计算出改装后电压表的量程为V，电源电动势为V.
答案：
（1） 连线如图
（2） 76.3
例题3（2007年山东理综卷）为了进一步测量待测量滑动变阻器电阻丝的电阻率，需要测量电阻丝的直径和总长度，在不破坏变阻器的前提下，请设计一个实验方案，写出所需器材及操作步骤，并给出直径和总长度的表达式。
考点分析本题考查考生实际动手解决问题的能力，涉及到游标卡尺和刻度尺的使用等知识，其实质仍然是考查长度的测量。
解题思路方案一：
需要的器材：
游标卡尺、毫米刻度尺
主要操作步骤：
1数出变阻器线圈缠绕匝数n
2用毫米刻度尺（也可以用游标卡尺）测量所有线圈的排列长度L，可得电阻丝的直径为
3用游标卡尺测量变阻器线圈部分的外径D，可得电阻丝总长度
也可以用游标卡尺测量变阻器瓷管部分的外径D，得电阻丝总长度
。
4重复测量三次，求出电阻丝直径和总长度的平均值
方案二
需要的器材：
游标卡尺
主要的操作步走骤：
1数出变阻器线圈缠绕匝数n
用游标卡尺测量变阻器线圈部分的外径D1和瓷管部分的外经D2，可得电阻丝的直径为
例4、（2008上海）某同学利用图（a）所示的电路研究灯泡L1（6V，1.5W）、L2（6V，10W）的发光情况（假设灯泡电阻恒定），图（b）为实物图。
（1）他分别将L1、L2接入图（a）中的虚线框位置，移动滑动变阻器的滑片P，当电压表示数为6V时，发现灯泡均能正常发光。
在图（b）中用笔线代替导线将电路连线补充完整。
（2）接着他将L1和L2串联后接入图（a）中的虚线框位置，移动滑动变阻器的滑片P，当电压表示数为6V时，发现其中一个灯泡亮而另一个灯泡不亮，出现这种现象的原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
现有如下器材：
电源E（6V，内阻不计），灯泡L1（6V，1.5W）、L2（6V，10W），L2（6V，10W），单刀双掷开关S。
在图（c）中设计一个机动车转向灯的控制电路：
当单刀双掷开关S与1相接时，信号灯L1亮，右转向灯L2亮而左转向灯L3不亮；当单刀双掷开关S与2相接时，信号灯L1亮，左转向灯L3亮而右转向灯L2不亮。
解答：
（1）如图b
（2）由于RL1比RL2小得多，灯泡L2分得的电压很小，虽然有电流渡过，但功率很小，不能发光。
（3）如图c
四、习题推荐：
1、（2007年宁夏理综卷第22题）⑴由绝缘介质隔开的两个同轴的金属圆筒构成圆柱形电容器，如图所示。
试根据你学到的有关平行板电容器的知识，推测影响圆柱形电容器电容的因素有。
⑵利用伏安法测量干电池的电动势和内阻，现有的器材为：
干电池：
电动势约为1.5V，符号
电压表：
量程1V，内阻998.3Ω，符号
电流表：
量程1A，符号
滑动变阻器：
最大阻值99999.9Ω，符号
单刀单掷开关1个，符号
导线若干
①设计测量电源电动势和内阻的电路并将它画在指定的方框内，要求在图中标出电压表、电流表的接线柱的正负。
②为了满足本实验要求并保证实验的精确度，电压表量程应扩大为原量程的倍，电阻箱的阻值应为Ω。
考点分析本题考查了电容、电流表内外接法和电压表改装等知识点，其中电路设计中电压表量程需要扩充后使用，设计巧妙。
解题思路
（1）由电容其电容
可知，影响电容大小的因素有：
正对面积s、板间距离d、板间介质
，据此可知测影响圆柱形电容器电容的因素有H、R1、R2、ε；
（2）
因电源电动势约为1.5v，而电压表量程为1v，故电压表需串联电阻箱扩大量程。
因电源内阻一般比较小，为减小实验误差，电路采用电压表扩大量程后直接跨接在电源两端，即电流表外接法，电路如下所示。
因电源电动势约为1.5v，故电压表量程扩大为原来量程的2倍，即量程为2v为宜。
设电压表串联的电阻为R，则：
正确答案：
⑴H、R1、R2、ε（正对面积、板间距离、极板间的介质）
⑵①
②2；998.3
失分陷阱由平行板电容器的知识迁移到圆柱形电容器中加以运用，部分考生在知识迁移过程中寻求相对应的物理量时出错。
部分考生对伏安法电路不是很熟悉，导致在画电路图时出错。
2.（2007年北京宣武区二模）
（1）传感器是把非电学量（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学量的变化的一种元件，在自动控制中有着相当广泛的应用。
如图所示是一种测定液面高度变化的电容式传感器的示意图，金属芯线与导电液体形成一个电容器，从电容C大小的变化就能反映液面的升降情况。
那么,当实验仪表显示的电容C在增大时，表示液面的高度h是______________。
（2）如图所示，是一个电流、电压两用电表的电路，电流计G的量程为100μA.内阻是1000Ω,两个电阻的阻值分别是R1为0.1Ω，R2为99KΩ，当双刀双掷开关接到ab上时，电表将改装成______，其量程约为______。
当双刀又掷开头接到cd上时，电表将改装成______，其量程是________。
2.
（1）增大
（2）安培（电流表），1A；伏特表（电压表）,10V
解析：
（1）据电容器电容的定义式
结合传感器示意图可知，介电常数及电介质厚度一定，电容的变大只可能是极板正对面积变大导致，故判断结果应是液面高度增大。
（2）开关接ab时将电阻R1并联在电流计上，扩大电流量程改装成安培表（电流表），其量程为
A；开关接cd时，使两电阻并联，改变与电流计G串联的电阻值，从而改变电压量程，是改装成伏特表（电压表），其改装后的量程为
V
易错点悟：
问题
（1）中，考生常常由于不能正确识别电容器定义式中的各个对应物理量导致判断失误，主要原因是对电容器的概念理解不够透彻。
问题
（2）中，考生易陷入题中设定的“双刀”陷阱，导致不能正确识别各电阻的连入方式，同时，对近似计算的不熟练也易浪费时间和影响计算结果。
3.（2007年深圳二模）弹性势能是发生形变的物体所具有的能量。
弹性势能跟形变的大小有关，例如弹簧的弹性势能跟弹簧被拉伸或压缩的长度（即形变量）有关，形变量越大，恢复原状时对外做的功越多，弹簧的弹性势能就越大。
弹性势能跟形变量之间应该是怎样的定量关系呢？
甲和乙两位同学为了解决这个问题，在实验室进行了探究弹簧压缩时具有的弹性势能与压缩量之间的关系的实验。
以下是两位同学经历的一些实验探究过程，请你根据题目要求回答问题。
（1）甲同学在实验前提出了如下猜想：
动能是物体运动具有的能量，动能的大小与运动速度有关，且跟运动速度的平方成正比，弹性势能是物体发生形变具有的能量，弹性势能的大小与形变有关，由此可以猜想弹性势能的大小也应该是跟形变量的平方成正比的关系。
乙同学根据所学的物理知识用图像法从理论上证实了甲同学的猜想，他所用到的物理知识是：
①弹簧发生形变时弹力与形变量的关系F=kx，②克服弹簧的弹力所做的功等于弹簧弹性势能的增加。
请你完成甲同学的证明过程。
（2）两位同学为了用实验来证实他们的猜想，设计了如图所示的实验装置。
在离地面高度为h的光滑水平桌面上，沿着与桌子边缘垂直的方向放置一轻质弹簧，其左端固定，右端与质量为m的一小钢球接触。
当弹簧处于自然长度时，小钢球恰好在桌子边缘。
让钢球向左压缩弹簧一段距离后由静止释放，使钢球沿水平方向射出桌面，小球在空中飞行后落到水平
地面，水平距离为s。
为了完成实验，
还需下列那些器材？
A．秒表B．刻度尺C．白纸
D．复写纸E．小球F．游标卡尺
答：
．
（3）如果在实验中，得到弹簧压缩量x和小球离开桌面后的水平位移s的一些数据如下表：
实验次序
1
2
3
4
x/cm
2.00
3.00
4.00
5.00
s/cm
10.20
15.14
20.10
25.30
从上面的实验数据，你能得出什么结论？
再结合你学过的物理知识，能否推断出弹簧压缩时具有的弹性势能EP与压缩量x的平方成正比的关系?
（要求写出分析过程）。
3.
（1）画出F=kx的函数图像，如图所示。
若将弹簧在外力作用下从原长（x=0）缓慢压缩x，此过程中外力克服弹力所做的功W即为图中阴影部分的“面积”，即：
由克服弹力所做的功等于弹簧弹性势能的增加，所以弹簧压缩x所具有的弹性势能为：
（2）BCD
（3）从实验数据可以得到：
小球离开桌面的水平位移s跟弹簧的压缩量x成正比，即
小球在轨道上弹出的过程中，机械能守恒：
（m为小球的质量，v是小球离开轨道时的速度）小球离开轨道后做平抛运动，则有：
（h是轨道的B端离地面的高度）
联立解得：
由
，故有：
解析：
（1）略；
（2）利用刻度尺测量小球的水平位移和弹簧的形变量，利用白纸和复写纸记录小球的落地点。
故还需要刻度尺、白纸和复写纸。
（3）略
易错点悟：
本题考察知识点比较多，覆盖面较广，对能力迁移的要求相对较高。
涉及到了变力做功的计算方法、能量的转化和守恒、研究平抛运动的基本实验方法与技能以及一些必要的数学推理手段与技巧，这些都无一例外的提升了本题的解题难度。
对考生来说，小球射程与抛射速度的关系、小球动能与弹簧弹性势能的联系等每一个环节的错误都易成为解答本题的障碍。
4.（2007年惠州模拟）传感器担负着信息的采集任务，在自动控制中发挥着重要作用，传感器能够将感受到的物理量（如温度、光、声等）转换成便于测量的量（通常是电学量），例如热敏传感器，主要是应用了半导体材料制成的热敏电阻，热敏电阻随温度变化的图线如图甲所示，图乙是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器线路图．问：
①为了使温度过高时报警器铃响，c应接在_____（填a或b）．
②若使启动报警的温度提高些，应将滑动变阻器滑片P点向移动（填左或右）．
2
如果在调试报警器达最低报警温度时，无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作，且电路连接完好，各电路元件都能处于工作状态，则造成工作电路实际不能工作的原因可能是
4.①a②左③可能是乙图中左边电源电压太低或者线的匝数太少或者弹簧的劲度系数太大等
解析：
①温度升高时热敏电阻阻值减小，致使电路中电流变大，电磁铁磁性增强，将警报器的触片拉至a，所以要警报器响，应将c接在a上。
要使启动警报温度提高，应使热敏电阻对应的启动阻值更小，故滑动变阻器联入的阻值应变大，应将滑动变阻器滑片P点向左移动。
③电源电压过低、电磁铁线圈匝数过少、弹簧劲度系数过大都可导致电磁铁不能将衔铁拉向a，使警报器不能工作。
易错点悟：
本题是传感器中较基本的题型，涉及原理比较简单，部分考生不易从甲图中获取相关信息来辅助乙图的电路分析，所以直接导致①、②两题判断的准确性。
③主要考查考生的发散思维能力，考生因考虑不够全面，易导致失分。
5．（2007年上海嘉定调研）某学生想了解所居住高楼内电梯运行的大致规律，他设计一个利用称体重的磅秤来进行测量和研究的方案：
观察
次数
时刻
磅秤
读数（N）
1
t1
449
2
t2
450
3
t3
450
4
t4
549
5
t5
550
6
t6
551
7
t7
551
①把磅秤平放在电梯的地板上，他站在磅秤上，请两位同学协助他观察磅秤示数的变化情况，并记录电梯运行时不同时刻磅秤的示数。
②将两位同学随机记录的7个数据列表．由于不知记录时刻的先后，故表格数据按从小到大的次序排列，并相应标明t1、t2……t7。
（记录时电梯作平稳运动）
③对实验数据进行分析研究，了解电梯的运行情况，并粗略测定电梯的加速度。
思考回答下列问题：
（1）在测量时该学生所受的重力将__________（填“变大”、“变小”、“不变”）
（2）如果先记录到的是较小的示数，后记录到的是较大的示数，则记录时电梯相应的运动可能是（）
A．先加速下降后减速下降
B．先减速下降后匀速下降
C．先匀速上升后减速上升
D．先减速上升后加速上升
（3）如果电梯在运行过程中经历过匀加速、匀速和匀减速三个过程，而两位同学记录的数据不知处于哪一运动阶段，则此电梯加速度的可能值为（）
A．1.0m/s2B．1.82m/s2
C．2.22m/s2D．2.50m/s2
（4）由于每部电梯运行时加速度都是设定好的，如果要知道该高楼电梯的加速度，还需要测定的物理量是______________．7．
（1）不变
（2）AD（3）ABC （4）某学生的质量
解析：
（1）无论是超重还是失重，物体的重力均不发生变化。
（2）磅秤示数变化，说明电梯不可能匀速运动，排除BC选项。
因该学生体重与磅秤示数大小关系不确定，使电梯有超重和失重两种可能，故选项AD正确。
（3）据
得
，取表中数据计算可判断ABC均可能，但D项不可能。
（4）还需测定该学生的质量。
易错点悟：
（1）考生因不能正确理解超重失重实质易导致判断出错；
（2）、（3）两小题中动平衡条件的应用是关键，特别是（3）对能力迁移有较高要求，一般考生不太容易做到；（4）则相对比较基础。
6.（2007年深圳二模）在探究课上，赵明和李青两位同学分别设计了如甲、乙两图所示的电子秤.所用器材相同，电源电动势为E，内阻不计.可变电阻长为L，电阻为R.弹簧导电，劲度系数为k，其电阻不计.连接甲图中的电压表的导线可自由伸缩.不测量时指针P均在a处（如图中虚线所示）.使电压表的示数与所称的重力对应便成为电子秤.
（1）不称重时，甲、乙两图中的电压表示数分别是多大？
（2）分别写出对应于甲、乙两种设计所称重力G与电压表的示数u以及E、k、L的关系式.（3）比较甲、乙两个电路，哪一个比较好？
为什么？
（4）设想两种设计的电子秤测重力时可能出现的问题（只要提出问题，不必解答）？
8.
（1）甲：
0，乙：
E
（2）甲：
G=kL/E，乙：
G=kL（E-U）/E
（3）甲好，重力与电压表示数成正比，表的刻度均匀
（4）重力太小读不出；重力太大超出量程.
解析：
从图上可以看出，随着重力的增加，弹簧就要缩短，带着指针下移，电路发生变化，电压表读数也相应变化，从电压表的读数就可以知道重力的大小。
甲图的电压表是测量ap电阻之间的电压U1。
U1：
E=x1：
L，G1=kx1
乙图的电压表是测量bp电阻之间的电压U2。
U2：
E=（L-x2）：
L，G2=kx2
易错点悟：
自动控制、自动测量在生活中越来越普遍了。
紧密联系生活是新课标的精神之一，也是亮点之一。
本题巧妙地将电阻与长度的关系与弹簧弹力与长度的关系紧密联系在一起，从而设计出电子秤。
部分考生对于这种内在的联系不清楚。
7.在“用电压表和电流表测电池的电动势和内阻”的实验时，一般是不用新电池而用旧电池进行实验，其原因是：
旧电池的内阻较大，而新电池的内阻很小，实验时，电压表的读数变化很小，从而影响测量值的精确性．如果要较为精确地测量一节新电池的内阻，可用以下给定的器材和一些导线来完成实验．
9.
（1）电路连接如图
（2）新电池内阻的表达式是
，式中U1、U2、I1、I2分别是滑线变阻器阻值改变时电压表和电流表对应的读数，R0是接入电路的电阻箱的阻值（此值直接从电阻箱上读出，一般为几殴姆）
解析：
由于新电池的内阻比较小，为了便于较准确的测量，需要给新电池串联一个已知阻值的电阻，然后按照测量旧电池的方法来测量即可。
在本实验中，已知阻值的电阻可以用电阻箱来代替即可。
易错点悟：
根据测量旧电池的电动势和内阻的实验原理，来测量新电池的电动势和内阻，需要考生能把知识迁移过来，并能用电阻箱与新电池并联，其最终的效果与旧电池类似。
部分考生在实物连线时容易电表极性错误、滑动变阻器接线错误等。
8.用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（900～1000欧）
电源E1具有一定内阻，电动势约为9.0V；
电压表
，量程为1.5V，内阻r1=750Ω；
电压表
，量程为5V，内阻为r2=2500Ω；
滑动变阻器R，最大阻值为100Ω；
单刀单掷开关S，导线若干。
（1）测量中要求电压表的读数不小于其量程的1/3，试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图（原理图中的元件要用题图中相应的英文字母标注）。
（2）根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线。
（3）若电压表V1的读数用U1表示，电压表V2的读数用U2表示，则由已知量和测得量表示的公式为Rx=___________________
1.
（1）（如图）（a）（b）所示
（2）如图所示
（3）
解析：
根据伏安法测电阻原理，需测出Rx两端电压和通过的电流，因电压表内阻已知，即既可当电压表使用又可当电流表使用。
（1）若用下左图所示的电路测量，因
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