初三物理实验设计专题指导.docx
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初三物理实验设计专题指导
初三物理实验设计专题指导
【本讲主要内容】
实验设计专题指导
如何提高实验探究能力？
考试要求的第1、2条是：
第1条：
会根据探究目的和已有条件设计实验
第2条：
会正确使用仪器
【知识掌握】
【知识点精析】
实验设计是实验探究的核心，解答这类题目的关键包括思路与表达两个方面。
实验设计的基本思路如下：
1.识别变量，并对变量进行操作定义；
2.操作各种变量，选择控制技术；
3.确定实验所需的材料和设备，设计实验步骤；
4.设计数据记录表。
实验设计的表达可以有多种形式，但必须抓住以下核心要点，把要点表达清楚：
1.自变量是怎样改变的；
2.自变量是怎样测量的；
3.因变量是怎样测量的；
4.控制变量是怎样控制的。
任何一个要点没有表达清楚都会被扣分。
【解题方法指导】
例1.小明在室温环境下探究影响导体电阻大小的因素，他采用控制变量法，所需要的导体材料如下表所示。
请帮助小明完成下列三个问题。
（1）为了研究导体电阻跟导体材料有关，小明应选用的两根导线是。
（2）为了研究导体电阻跟导体长度有关，小明应选用导线C和导线。
（3）如果小明选用导线A和导线D，则可用来研究导体的电阻跟导体的有关。
导线代号
A
B
C
D
E
F
G
长度L/m
1.0
0.5
1.5
1.0
1.2
1.5
0.5
横截面积
S/mm2
3.2
0.8
1.2
0.8
1.2
1.2
1.2
材料
锰铜
钨
镍铬丝
锰铜
钨
锰铜
镍铬丝
分析与解：
本题考查的重点是区分变量和控制变量法。
在问题
（1）中，研究导体电阻跟导体材料有关，其中自变量是导体材料，因变量是导体的电阻，则其他变量都是控制变量。
自变量要发生改变，即导体材料要不同，控制变量要保持不变，即导体的长度和横截面积都要保持相同，所以要选C、F两根导线。
在问题
（2）中，研究导体电阻跟导体长度有关，其中自变量是导体长度，因变量是导体的电阻，则其他变量都是控制变量。
自变量要发生改变，即导体长度要不同，控制变量要保持不变，即导体材料和横截面积都要保持相同，所以要选C、G两根导线。
在问题（3）中，小明选用导线A和导线D，由于A、D两根导线的长度都是1m，材料都是锰铜，只有横截面积不同，所以，导体的长度、材料都是控制变量，横截面积是自变量，可以用来研究导体的电阻跟导体的横截面积有关。
答案：
（1）C、F；
（2）C、G；（3）横截面积。
例2.小名在探究影响电磁铁磁性强弱的因素时，提出了两个假设：
（1）电磁铁线圈的匝数一定时，如果通过电磁铁的电流越大，则电磁铁的磁性就越强。
（2）通过电磁铁的电流一定时，如果电磁铁线圈的圈数越多，则电磁铁的磁性就越强。
为了验证这两个假设准备了如下实验器材：
用漆包线（φ=1.1mmL=10m）、塑料管（φ=20mmL=100m）、铁芯（φ=14mmL=120m）制作一个八抽头的电磁铁（120匝每20匝抽出一个接线端），从实验室选择了干电池（1号2节）、开关、滑动变阻器（20Ω2A）、电流表（J0407型）、导线、若干大头针、铁架台。
请你利用上述器材，设计实验验证上述两个假设，请画出电路图、分别写出实验步骤并设计数据记录表。
分析与解：
首先识别变量，并对变量进行操作定义。
根据假设
（1）可以确定自变量为电流，因变量为电磁铁的磁性强弱，控制变量为电磁铁线圈的匝数。
根据假设
（2）可以确定自变量为电磁铁线圈的匝数，因变量为电磁铁的磁性强弱，控制变量为电流。
电磁铁的磁性强弱可以定义为吸引大头针的数量多少。
假设中的变量如下表所示。
自变量
因变量
控制变量
假设
（1）
电流
电磁铁的磁性强弱（吸引大头针的数量）
电磁铁线圈的匝数
假设
（2）
电磁铁线圈的匝数
电流
其次，操作各种变量，选择控制技术。
具体地说，就是怎样改变自变量、怎样测量自变量、怎样测量因变量、怎样控制控制变量。
为了验证假设
（1），需要解决以下四个问题：
怎样改变电流、怎样测量电流、怎样测量电磁铁的磁性强弱，怎样控制线圈匝数。
为了验证假设
（2），需要解决的四个问题是：
怎样改变线圈的匝数、怎样测量线圈的匝数、怎样测量电磁铁的磁性强弱，怎样控制电流。
第三，确定实验所需的材料和设备，设计实验步骤。
改变电流、控制电流都可以用滑动变阻器，测量电流可以用电流表，测量电磁铁的磁性强弱可以计数电磁铁吸引的大头针的数量，改变线圈匝数、控制线圈匝数都可以用自制的多抽头线圈。
另外，还需要组成电路的基本元件：
电源、开关、导线，为了固定电磁铁的位置，还需要铁架台。
在设计的实验步骤中，包括改变自变量、测量自变量、测量因变量、控制控制变量所进行的操作步骤，记录数据的步骤，还包括为了实验的实施而准备的电路连接的步骤。
验证假设
（1）的实验步骤：
1.按下图所示实物电路图连接实物，打开开关，将变阻器滑片放在最大位置。
2.试触开关，检验电路连接是否正确。
3.调节滑动变阻器，改变电流，观察电流表的示数，用电磁铁去吸引大头针。
4.将电流表的示数和大头针的数目记录在表中。
5.重复步骤3和4，并将结果记录在表中。
验证假设
（2）的实验步骤：
1.按图所示实物电路图连接实物，打开开关，将变阻器滑片放在最大位置。
2.试触开关，检验电路连接是否正确。
3.改变电磁铁接线柱，闭合开关，调节滑动变阻器、保持电流值一定，用电磁铁去吸引大头针。
4.将电流表的示数和大头针的数目记录在表中。
5.重复步骤3和4，并将结果记录在表中。
第四，设计数据记录表。
在设计数据记录表格时，可以把控制变量固定在表格的右上方，自变量的记录放在表格中的第一行，因变量的记录放在表格中的第二行，以便观察它们之间的数量关系。
探究就是要在变化中寻找自变量和因变量之间的关系，一般而言，自变量需要改变6~8次。
验证假设
（1）的实验数据记录表如表1所示，验证假设
（2）的实验数据记录表如表2所示。
表1电磁铁磁性强弱与电流的关系线圈匝数匝
电流（A）
电磁铁吸引大头针的个数
表2电磁铁磁性强弱与线圈匝数的关系电流A
匝数
电磁铁吸引大头针的个数
提示：
影响因变量的自变量可能不只一个，因而在进行变量的确立时，首先要保证自变量和因变量的一一对应关系，此自变量确立后，其它关系中出现的自变量在此时就成为被控制的变量。
操作性定义的使用就是为了清楚而简洁的将所要测量的事物具体化，以便于其他人确切地使用同样的程序和测量方法重复该实验，同时也可以使每个人能知道研究的是什么。
这将有助于对研究结果的解释，减少误解的可能性。
【考点突破】
【考点指要】
实验探究题在北京市中考物理试题中占25~30分，是重点与难点之一。
实验设计为必考题型。
分值约5分。
要求考生掌握基本测量工具的使用。
掌握课本中主要演示实验和学生实验的原理、步骤、结论、实验中出现的现象和重要器材的作用。
学会物理实验设计的一般方法，即公式原理法和控制变量法。
【典型例题分析】
例3.（2006北京中考题）实验桌上有如下器材：
符合实验要求的电源一个、电流表和电压表各一只、开关一个、各种阻值已知的定值电阻和导线若干。
要求从实验桌上选择适当器材，设计一个实验证明：
“当通过电阻的电流保持不变时，电阻消耗的电功率与该电阻的阻值成正比”。
请画出实验电路图，并写出实验步骤。
（1）实验电路图：
（2）实验步骤：
分析与解：
实验设计的基本思路同例1，不再赘述。
本题的关键是在没有滑动变阻器的情况下如何控制电流保持不变，实际操作时，可以有不同的方法。
另外，因变量电功率不能直接测量，需要通过测量电流和电压计算出来，所以，电流和电压属于中间变量。
本题的难点之一是如何把实验步骤清楚地表达出来。
在实验步骤中要把以下要点表达出来：
说明用什么措施控制电流不变；说明自变量电阻是怎样改变的以及改变的次数；说明电流和电压的测量；说明数据的记录。
解法一：
（1）实验电路图如图
（2）实验步骤要点：
①按电路图将电流表、电压表和六个阻值不同的电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6接入电路中，并把这六个电阻的阻值记录在表格中；
②闭合开关S，测出R1两端的电压和通过R1的电流，并把数据记录在表格中；
③断开开关S，把电压表连接在R2两端，仿照步骤②，测出R2两端的电压和通过R2的电流，并把数据记录在表格中；
④仿照步骤③，分别测出电阻R3、R4、R5和R6两端的电压和相应的电流，并把数据记录在表格中。
⑤利用公式P=UI分别计算出电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6消耗的功率P1、P2、P3、P4、P5和P6，并把数据记录在表格中。
解法二：
（1）实验电路图如图
（2）实验步骤要点：
①按电路图将电流表、电压表及三个阻值不同的电阻R1、R2和R3接入电路，并把数据记录在表格中；
②闭合开关S，测出R1两端的电压和通过R1的电流，并把数据记录在表格中；
③仿照②分别测出电阻R2、R3、Rac、Rbd和Rad两端的电压以及相应的电流，并把数据记录在表格中；
④利用公式P=UI分别计算出电阻R1、R2、R3、Rac、Rbd和Rad消耗的电功率。
。
解法三：
（1）实验电路图如图
（2）实验步骤要点：
①按电路图将电流表、电压表及两个不同阻值的电阻接入电路中。
②闭合开关S，测出R1两端的电压和通过R1的电流，并把数据记录在表格中；
③断开开关S，把电压表连接在R2两端，仿照步骤②，测出R2两端的电压和通过R2的电流，并把数据记录在表格中；
④把R1、R2分别换成与它们阻值不同的电阻R3、R4以及R5、R6，且使R3+R4=R5+R6=R1+R2；
⑤仿照步骤②、③，分别测出R3、R4、R5、R6两端的电压和相应的电流，并把数据记录在表格中；
⑥利用公式P=UI分别计算出电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6消耗的电功率，并把数据记录在表格中。
提示：
本题阅卷时的扣分点如下：
实验步骤中没有叙述“阻值不同的电阻”或“不同的电阻”的扣1分，不记录各电阻阻值的扣1分，此两点不重复扣分；阻值变化少于6次的扣1分；只测一次电流的扣1分；没有明确说明用什么措施控制电流不变的扣1分；没有控制电流保持不变的不得分。
请同学们对照扣分点认真思考上述分析与解法，就会更容易抓住解探究题的精髓。
例4.（2005北京中考题）已知空气可以传播声音，请设计一个简易实验，证明固体也能够传播声音。
请写出实验所需要的器材、实验步骤以及实验分析与结论。
要求设计的实验具有可行性，要符合安全原则。
（1）实验器材：
（2）实验步骤：
（3）实验分析与结论：
分析与解：
本题的难点是不容易区分变量，所以有哪些变量是控制变量就不好确定，也就不能有效控制变量。
本题中自变量为声音的传播途径，因变量为声音的接听，其他影响声音接听的所有因素，如声源发出声音的响度、接听距离等都是控制变量。
本题的实验设计可以采用对比实验，对比实验的特点是当自变量从一种状态改变为另一种状态，因变量应发生对比鲜明的变化，结果容易观察、显而易见。
设计对比实验时要注意这一点。
解法一：
实验器材：
大广口瓶、橡皮塞、小闹钟
实验步骤：
1.把小闹钟调至响振状态，然后轻放于大广口瓶中，听小闹钟的铃声，要求能听到明显的铃声。
2.用橡皮塞盖在大广口瓶的瓶口上并塞紧，要求不漏气。
然后，再听小闹钟的铃声。
实验分析与结论：
瓶内空气与瓶外空气完全被大广口瓶和橡皮塞隔离，如果此时仍能听到小闹钟的铃声，则可证明听到的铃声是通过大广口
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