淺析初中物理實驗設計

物理作為一門以觀察和實驗為基礎的自然科學，無論在物理研究過程中，還是物理教學中實驗都扮演著不可或缺的重要角色，同時也是激發學生學習興趣、培養學生能力的前提。

物理教學大綱中也明確的要求了大量的演示實驗及學生實驗，旨在通過實驗來建立對物理概念和規律的理解，培養學生的實驗能力。北京市中考物理中對實驗相關知識、能力的考查也占大了相當大的比重，而近幾年尤其突出了對學生實驗綜合能力的考查，諸如證偽題、實驗步驟設計、實驗數據表格設計等，這類的題目也逐步成為中考物理中區分度最大的一類題目，各個區的模擬題中也不斷嘗試推陳出新。為了能夠幫助學生在學習和復習的過程對這類問題縷清思路，接下來我們針對這幾類問題進行分析。

1.證偽題要清晰變量與結論間的關系

證偽題對于考查學生的物理現象分析能力和實驗設計能力都有著不可替代的作用，但很多學生甚至命題老師在處理這類問題的過程中都經常出現偏差。

證偽題一般可以分為兩類，一類是利用控制變量法證明某結論或找到歸因，這類問題的關鍵在于確定改變的變量是什么。舉個例子：

例1.小紅想利用實驗研究影響液體壓強大小的因素，于是她找來扎有橡皮膜的平底試管，逐漸往試管中加水，發現加水越多橡皮膜凸起越厲害，所以她得出結論：液體越重，產生的壓強越大。請你利用已有器材證明她的觀點是錯誤的，請你寫出實驗步驟和實驗現象。

參考答案：將平底試管傾斜放置，觀察到橡皮膜凸起程度變小，所以小紅的觀點是錯誤的。

這個問題要證明的是“液體越重，產生的壓強不一定越大”，由這個結論很容易看出需要改變的變量是液體的重力，設計一個實驗使重力變大時壓強不一定變大。而參考答案改變的物理量是傾斜角度或者說深度，當橡皮膜的凸起程度變化時說明傾斜角度或者說深度對壓強大小的有影響，即出現了邏輯問題，與題目要求不符，所以找對需要改變的變量很關鍵。

例2.小東利用圖1所示裝置，探究壓力的作用效果。其中A和B是作為支架的木塊，C為彈性很好的鋼板尺。M表示形狀相同、質量不同的金屬塊。小東在實驗中發現，隨著金屬塊M的質量變大，鋼板尺C的彎曲程度也變大。于是小東得出結論：“在受力面積一定時，物體M的重力越大，鋼板尺C的彎曲程度就越大。”請你利用現有器材，重新設計實驗證明小東的結論不正確。請你簡述（1）實驗步驟；（2）實驗現象；（3）實驗分析與結論。

參考答案：（1）實驗步驟：保持物體M的質量不變，把鋼板尺C的一端逐漸抬高。（2）實驗現象：可以觀察到鋼板尺C的彎曲程度逐漸變小。（3）實驗分析與結論：金屬塊M的質量（重力）沒有變化，鋼板尺C的彎曲程度發生了變化。這就可以說明小東的結論不正確。

這個參考答案出的問題跟例1類似，也是沒有找對自變量，參考答案證明的是傾角對壓力作用效果的影響。這個實驗設計中其實需要改變物體的重力，但要保證壓力作用效果不變。利用現有器材只能將鋼尺豎直放置，施加力F將M在鋼尺旁靜止；換更大質量的M，用同樣的力使其在鋼尺旁靜止。重力改變，但鋼尺的形變程度未變，從而證明小東的結論不準確。

另一類證偽題主要是通過測量的方法證明某一結論。諸如2015中考物理題中的第38題。

例3.學校組織學生參觀中國科技館，同學們在“探索與發現A 廳”里面看到一個十分有趣的“物體上滾？”的實驗。實驗時，將雙圓錐體輕輕放在傾斜軌道的最低端，看到雙圓錐體從靜止向軌道高處滾去。實驗引起了同學們的討論，小軍認為“雙圓錐體上滾”是真的，眼見為實；小樂認為“雙圓錐體上滾”是錯覺，雙圓錐體不可能自動由低處向高處運動。小樂和小軍為證明各自的觀點，取了兩根木條放在水平桌面上，將木條左端墊高，做成一個傾斜軌道，將雙圓錐體放在軌道右端，如圖2 甲所示，由靜止釋放后雙圓錐體向軌道高處滾去，雙圓錐體最終停在軌道左端，如圖2乙所示。這個實驗成功再現了在科技館看到的現象。

請你根據圖2甲、乙所示的實驗，選擇適當的器材，通過測量判斷小軍和小樂誰的觀點正確，寫出你的測量方法并簡要說明。

本題便可以通過測量圓錐體在軌道兩端重心的高度來進行解決，非常具有代表性，不做贅述。

2.實驗設計題緊扣自變量、因變量和控制變量

例4實驗桌上有如下器材：符合實驗要求的電源一個、電流表和電壓表各一只、開關一個、各種阻值已知的定值電阻和導線若干。要求從實驗桌上選擇適當器材，設計一個實驗證明：“電阻消耗的電功率與該電阻的阻值成正比”。根據實驗要求回答下列問題：

（1）在這個實驗中，控制變量是__________________。

（2）畫出實驗電路圖。

（3）寫出第一次實驗完整的步驟并設計出實驗表格。

我認為在上述題目中第一個問題是很關鍵的，但問的不妥。根據所要證明的結論可知在這個實驗設計當中自變量和因變量分別是電阻和電功率，但所有的物理規律都是有前提條件的，也就是得到該結論中需要控制的變量。盡管學生很容易答出所需要的控制變量是“電流”，但要去證明一個不完整的結論本身是有問題的，有明顯的“投其所好”傾向。

當明確了自變量、因變量和控制變量后，第二、三問當中的電路圖和實驗步驟并不難完成：要控制“電流”變量，則利用串聯電路；要求得因變量“電功率”，則需測得電阻兩端的電壓和電流，利用公式P=UI計算即可。

3.設計實驗數據表格的兩個基本原則

在表格設計當中我認為需要注意各物理量之間的關系，尤其有兩個基本原則需要特別注意。

A.設計表格的第一個原則是要弄清實驗步驟中涉及到哪些物理量及其單位，比如這個題目當中涉及到的有R、U、I、P，各自的單位需要再物理量后標注。

B.這些物理量的順序要把握兩點：（1）自變量在前，因變量在后；（2）已知量在前，測量量在中，計算量在后。比如上題中自變量R應該在因變量P的前邊；另外R屬于已知量應該在測量量U、I的前邊，P屬于計算量應該在測量量U、I的后邊。

把握好以上兩點基本原則表格設計的題目基本就迎刃而解了。

以上對于實驗大題的幾點分析對于解題有一定的幫助，但從學生物理分析能力培養的角度來講還是需要從平時的教學過程中下力氣，把平時教學中的一些實驗講透徹是非常關鍵的，讓學生對實驗中自變量、因變量以及相應的結論進行深入分析，這里以比熱容概念建立的過程為例進行說明。

為了研究不同的物質的吸熱本領，我們常取等質量的水和食用油，用相同的加熱裝置同時加熱，通過溫度計測量水和食用油溫度隨時間的變化，很多老師往往直接得到物質的種類對吸放熱多少的影響，但其實不然。

在這個實驗中可以做三組對比。（1）是等質量同種物質加熱過程中溫度隨時間的關系，它其實反映出來的是t與Q的關系；（2）是等質量的不同物質加熱相同時間溫度與物質種類的關系，它反映的是t與c的關系；（3）是對實驗數據再挖掘，分析等質量的不同物質提升相同溫度所需時間與物質種類的關系，探究Q與c的關系。這三組對比分別在三個層次，只有都講透徹學生才會理解的更加深刻。

在平時的教學過程中加強對實驗的分析，提高學生對實驗的理解水平，讓學生能夠深刻體會自變量、因變量間的關系，正確領悟控制變量法的精髓，才能做到在考場中有的放矢，在“區分度”中脫穎而出。

（作者單位：北師大附屬實驗中學）