設計性實驗的解法

近年來高考物理試卷對實驗的考查，已從一般性的實驗知識記憶轉向對實驗原理和方法的理解與遷移，出現了以學生實驗和演示實驗為背景的設計性實驗試題。所謂設計性實驗，就是打破現成的實驗方案，在一些特定的要求和條件下自行設計新的實驗方案和步驟，完成其實驗要求。由于這種設計具有較大的靈活性，對學生綜合能力的要求相當高，所以在考試中，學生的得分率普遍偏低。如何引導學生突破這一難點呢？下面談一些自己不太成熟的觀點。

一、緊抓實驗原理，提高知識遷移能力

實驗原理是實驗的核心，在一定程度上決定著實驗方法和實驗步驟。充分理解實驗原理是形成設計性實驗能力的基礎，因此要想提高學生設計能力實驗，教師必須講清實驗原理，引導學生抓住實驗原理這個“綱”。例如在電學實驗中，絕大多數題目都直接或間接地涉及到電阻的測量，常用的方法一般有三種：伏安法，等效代替法和半偏法。這里提到的等效代替法指的是用一已知電阻值的實驗器材(一般往往是電阻箱)來代替待測電阻而使電路中其它電表的示數不變，那么待測電阻的阻值就和這已知電阻值器材的電阻相等。學生掌握好這些原理，就為設計電學實驗打下了基礎。

［例1］為了較精確地測量一只微安表的內阻，要求用下列所提供的器材設計一電路圖，實驗室中可供選擇的器材如下表所示:

請用上述器材設計一合理的電路圖，并測出待測微安表的內阻。

【分析】從所給的實驗儀器和題目的要求，首先來分析實驗原理的選擇。通過器材，可以發現由于沒有其它電表，所以不可能采用伏安法或等效代替法測微安表的內阻，故只能采用半偏法。而半偏法要求滑動變阻器采用分壓式接法，所以應選擇電阻值較小的滑動變阻器R1。由此可得到如下電路圖:

用半偏法測電阻時，也要注意操作過程。先將滑動變阻器R₁上的滑片P移到左端，調整電阻箱R的阻值為零，合上開關S，再將滑片P緩慢右移，使微安表上電流滿偏，固定滑片P不動，調整R的阻值，使微安表上讀數正好是滿刻度的一半，則此時R的電阻值就是微安表的內阻。

用學過的實驗方法進行新的設計性實驗，這就是知識的遷移。本題就是緊緊抓住了實驗原理這個已有的知識來進行新的實驗。可見，在設計性實驗中，知識的遷移能力是必不可少的。

二、選擇實驗方法，培養創造性思維能力

要想提高設計實驗能力，就要在平常的教學中培養學生的創造性思維能力。在傳統的物理教學中，總是強調確定性，排斥可能性，培養出的學生往往長于求同，而弱于求異，缺少創新。以測量性實驗為例，由于每一種測量儀器都有其固定的作用，如用刻度尺測長度等，但如果要求突破測量儀器固有的功能去測量一些看似沒有因果聯系得物理量，這就需要學生有較強的創造力。

[例2] 試用一根卷尺估測一堆砂粒間的動摩擦因數。

【分析】本題的設計可謂是“無法無天”，因為卷尺測得的長度與砂粒間的動摩擦因數似乎是風馬牛不相及的兩碼事。但是，我們可以這樣來思考，要測定砂粒間的動摩擦因數，必須讓砂粒間發生相對運動；再聯想到力學中一個常見的斜面模型，如圖2（a）：逐漸增大斜面傾角θ使木塊在斜面上將要發生相對滑動，受這一原型的啟發，我們可將題目給出的一堆砂從高處慢慢漏下，在地面上形成一圓錐體，并不斷增高以至高得不能再高，即表面砂粒將要開始滑動，如圖2（b），此時的砂堆不就構成一“蠢蠢欲動”的斜面了嗎？隔離出其表面的任一顆砂粒，不就相當于斜面上的一木塊了嗎？這樣一來，通過θ這個中間變量即可把動摩擦因數u的測量轉化為可用卷尺測量的長度（圓錐的高h和周長L）。

在物理實驗中，將不易直接測量的物理量轉化為另一種易觀測的物理量進行測量的方法，稱為轉換法。本題運用的正是這種轉換法。還有一些常用的實驗方法，如比較法、放大法、補償法、共軛法等。在實驗設計的過程中，選擇合適的實驗方法是非常重要的。

三、做好誤差分析，提升實驗設計能力

一個成功的實驗設計，不僅要能得出結論，而且要盡量減小實驗誤差。

[例3]從下表中選出適當的實驗器材，設計一電路來測量電流表A₁的內阻r₁，要求方法簡捷，有盡可能高的測量精度，并能測得多組數據。

(1) 畫出電路圖，標明所用器材的代號。

(2) 若選測量數據中的一組來計算r1，則所用的表達式為r1=_______，式中各符號的意義是_______________。

【分析】從所給的實驗儀器和題目的要求，實驗原理一定是伏安法。由于題目要求“并能測得多組數據”，故應選擇滑動變阻器的分壓式接法。符合條件的電路有如下兩種正確電路，都可得出：r₁=I₂r₂/I₁，但通過誤差分析可知圖（a）方案最優。具體分析如下：對兩個電路，r_并=r₁r₂/(r₁+r₂)=38Ω。

對圖（a），滑片在最右端，U_并=0.4130V ，I₁= U_并/40=10mA，I₂= U_并/750=500μA。所以A₁變化范圍是0-10mA，A₂的變化范圍是0-500μA，該設計方案滿足簡捷、高精度、多次測量的要求。

對圖（b），滑片滑至最右端，R、r₁、r₂并聯，其阻值R_并=22Ω，U_并=0.27V，I₁= 6.7mA，I₂= 360μA，故A₁的變化范圍0-6.7mA，A₂的變化范圍是0-360μA。該設計方案也還可以，但不如第一種設計方案電流變化范圍大。

此題通過對實驗誤差的分析，不僅使我們體會到實驗的設計方法，而且還促進了對實驗方案的改進。

總之，設計性實驗的出現，對學生的實驗能力提出了更高的要求。我們可以從學過的試驗原理、試驗方法和誤差分析等方面入手，為設計試驗打開思路。