2023届高考物理三轮复习：实验设计突破例析

物理思维方法之实验设计 【实验探究能力与创新能力考查提示】 1.常规实验的变异与创新 设计性实验的考查目的主要是检验对实验原理的理解和把握,以及如何变成实际可行的操作过程,这是对探究创新能力的考验。实验一定要弄清原理,不要死记硬背课本上的东西,要根据具体给定的实验情景、条件,结合学过的物理规律、方法等实事求是地具体问题具体分析,注重实际应用与拓展变化。举例说明: (1)研究对象的变化:如以单个物体和以系统为研究对象的区别,在验证牛顿第二定律的实验中,若以小车为研究对象时需要满足m<<M的实验条件,而以小车和钩码组成的系统为研究对象则无此要求。 (2)实验所测物理量的变化:例如在验证牛顿第二定律的实验中由于失重的影响,以钩码的重力近似等于细线上的拉力时要求满足m<<M这一常规实验条件,若细线上的拉力通过力传感器或者测力计直接测出,不存在近似关系,则不受此条件的约束。 (3)器材的区别:如利用长木板做实验需平衡摩擦力时措施是将一端垫起,而采用气垫导轨平衡摩擦力则是调节使其水平。 (4)器材与方法的等效替代:如器材的等效作用:频闪照相机、滴水漏斗均可起到代替打点计时器的计时作用;内阻已知的电压表可起到电流表作用等。又如实验原理及方法的等效:如伏安法测电源电动势和内阻还可用电压表和电阻箱、电流表和电阻箱、电压表和两个定值电阻结合等方法。 (5)设计实验的主要思维方法仍旧是书本上实验常用的:等效替代法、测量微小量可用的累积法、存在多个变量时可用控制变量法、一些物理量不能直接测量时可以用转换法、留迹法、还有平衡法、补偿法等等。 2.实验考查趋势 (1)利用课程标准所列实验的原理、方法和器材重新组合、推陈出新,在常规题型上略有变化,但没有偏离主题,难度不大。 (2)把重点放在实验和测量的原理和使用、器材的选取、数据处理和结论获取的方法上。对操作细节和信息筛选能力要求较高。 (3)有时把计算题改成实验题,突出考查原理迁移、探究能力及科学素养。 (4)对设计性、创新性实验的考查倾向越来越明显。 二、不同类型实验的特点 1.测定性实验 (1)测量某个不变量(如电阻、电阻率、重力加速度、电动势、内电阻、折射率,等等)。 (2)抓住不变这个关键特征,以不变应万变。 (3)不变量在某个表达式中出现,常常容易将计算题改编成实验题。 2.验证性实验 (1)一般是对某普适规律的特殊验证,如:机械能守恒、动量守恒、探究两个互成角度的力的合成规律,等等。 (2)之所以是验证,就必定会有比较或对比,或者验证满足何种等量关系,一般需要控制变量,满足比较苛刻的条件。 3.研究性实验 (1)研究性实验往往有探究发现的意味,如:研究匀变速直线运动、研究平抛运动、研究弹力与形变关系、研究牛顿第二定律,等等。 (2)研究性实验具有开放性和探索性,一般不是每组都得到一个具体的重复的答案。 三、实验设计的基本思路与常规方法 1、基本思路 (1)明确实验目的,进行广泛联系。 ①要求测定什么物理量,或要求验证、探索什么规律,这就是实验目的,是实验设计的出发点。 ②实验目的明确后,再应用所学知识进行广泛联系,主要看该物理量或物理规律在哪些内容中出现过,与哪些物理现象有关,跟哪些物理量有直接的联系.如测量性实验,要分析被测的量通过什么规律需用哪些物理量来定量地表示;对于验证性实验,分析在相应的物理现象中,怎样的定量关系成立,才能达到验证规律的目的;对于探索性实验,在相应的物理现象中,涉及哪些物理量……,这些都是应该分析的内容,以此来确定实验的原理。 (2)选择实验方案,要求安全、精确、简便。 对于同一个实验目的,可能存在多种实验原理,进而形成多种可供选择的设计方案。弄清哪些是直接测量、哪些是间接测量之后,一般常根据以下四条原则,选择不同的实验方案。 ①科学性原则:设计的方案应有科学的依据和正确的方法,符合物理学的基本原理。 ②安全性原则:按设计方案实施时,应安全可靠,不会对人、对器材造成危害;所需装备和器材要易于置备,且成功率高。 ③准确性原则:在选择实验方案时,应对各种可能的方案进行初步的误差分析,尽可能选用精确度高的方案。 ④简便、直观性原则:设计的实验方案应便于实验操作、读数,便于进行数据处理,便于实验者直观、明显地观察。 (3)依据实验方案,选择实验器材。 实验方案选定后,再考虑该方案需要哪些装置,被测定量与哪些物理量有直接的定量关系,分别需用什么仪器来测定,以此来确定实验所用的器材。 (4)拟定实验步骤,合理有序做实验。 实验之前要做到心中有数:如何组装器材,哪些量先测,哪些量后测,应以正确的操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤。在实验中调整改进。 (5)进行数据处理和误差分析 灵活应用常用的数据处理方法(如平均值法、列表法、图象法等)和误差分析方法(如绝对误差和