专题五  实验题分析与解法

一、实验题解题技法

1．实验题的特点

    实验题是最能体现物理学科的学习能力的一种题型，它不仅能反映学生学习过程中的观察能力、动手动脑能力，而且还能反映学生对学习的物理概念和物理规律的理解情况，重要的是它能再现学生的情感、态度价值观．实验题的形式是多种多样的，它可以用选择题、填空题、问答题、作图题、计算题等不同方式展示，所以各种题型的解题思路、解题方法以及解题步骤，当然也都适用于对实验题的正确解答．下面仅对它的特殊性作几点说明．

2．实验题解答过程中需要注意的问题

(1)实验原理定方向

    正确解答物理实验题必须坚持用实验原理为依据的操作过程，实验原理是整个实验的指导方向，而对实验原理的理解必须做到：

    第一、要结合课本中学过的物理知识加深理解实验原理．

    例1  为了测定一小正方体木块(不吸水)的密度，可供选用的实验器材有：托盘天平(含砝码)、量筒、刻度尺、大头针、水．请你设计三种不同的实验方案，只要求将每种方案所选用的器材填入下面的横线上．

    方案(1)           ．方案(2)            ．方案(3)            ．

    解答：本题是一道开放性试题，答案不惟一、不确定，需要综合利用测量、密度、浮力等知识来分析．测木块的密度的基本思路是设法测得或求得木块的体积和质量．体积可用刻度尺测量后进行计算而得出或用排水法测得，也可借助量筒的刻度定性比较；质量可用托盘天平直接测得，或借助浮力知识求出重力后间接计算得出，以上这些测体积和质量的方法的不同组合可形成多种方案，现提供6种供参考：(1)托盘天平、量筒、水、大头针；(2)托盘天平、刻度尺；(3)量筒、水、大头针；(4)量筒、刻度尺、水；(5)刻度尽、水；(6)量筒、水．

    第二、要从实验原理中理解实验成立的条件．

    例2  在用已调好的托盘天平称某物体质量的过程中，发现当右盘中再加1 g砝码时，指针指在标尺中央红线的右侧；减去这1 g砝码时，指针又指在标尺中央红线的左侧，而砝码盒中质量最小的砝码是1g，遇到这种情况，正确的操作方法是(    )．

A．调节横梁右边的平衡螺母，使天平平衡后再读数   

B．调节横梁左边的平衡螺母，使天平平衡后再读数

C．将被测物移到天平右盘，使天平平衡后再读数     

D．移动游砝到适当位置，使天平平衡后再读数

答案：D

说明：每一架天平都有与之配套的砝码，砝码盒中最小的砝码质量数与天平横梁标尺上的量程是相同的，移动游码在标尺上的位置等于向砝码盘中添加同质量的砝码．

第三、弄清一个实验原理可以做不同的类似实验

例3  测滑轮组的机械效率需要测量的物理量有        ，其表达式是        。如果测斜面的机械效率需要测量的物理量有        ，其表达式是：        。

图1

答案：物重G、物体上升的高度h、绳上的拉力F、绳子移动的距离s；η＝Gh/Fs；物重G，斜面高度h，沿斜面拉物体的力F，斜面长度上L；η＝Gh/FL．

第四、理解原理设计替代性实验

例4  现有一个电池组、一个电流表、一个开关、一个已知阻值的电阻R₀、导线若干，用上述器材测定待测电阻R的阻值．要求：(1)画出实验电路图．(2)简要写出实验步骤并用字母表示测量的物理量(电流)．(3)写出待测电阻R阻值的表达式。

图2

解：根据题目可以设计出电路图如图l所示，实验步骤是：①按照电路图连接好电路．②当开关S断开时，读出电流表的示数为I₁．③闭合开关S时，读出电流表的示数为I₂，则I_l=U/R₀  I₂=I_l+U/R_x则R_x=I₁R₀/（I₂—I₁）。

答案： R_x=I₁R₀/（I₂—I₁）

说明：本题应用到了并联电路中干路电流等于各支路电流之和的原理，因开关闭合前后，R₀两端电压不变，即通过R₀的电流大小不变，闭合开关后干路电流的变化量等于通过待测电阻R_x的电流，这样就可以应用欧姆定律求得R_x的值。如果条件中没有电流表而只给一个电压表，其他条件不变，则电路连接如图2所示．当开关S闭合时，电压表所测电压为电源电压U_l＝U．当开关S断开时，电压表测的是R₀两端电压U₂，则有：I＝U₂/R₀＝（U₁—U₂）/R_x  所以R_x=（U₁—U₂）R₀/U₂。

(2)实验步骤要有科学性

实验步骤是否合理、完善、条理直接影响着物理实验的质量，因此在实验操作过程中弄懂、理解和熟悉实验步骤对做好实验题是非常重要的．

第一、保证实验步骤的完整性和合理性

例5  下表是甲、乙两同学在用天平和量筒测盐水密度的实验中设计的两种实验方案．

采用方案A测出的ρ_盐水的值偏较准确．这是因为方案B中，物理量      的测量值误差较大，使得ρ_盐水的值偏        。(选填“大”或“小”)

答案：V；大．

第二、保证实验步骤的必要性

例6下面是“测量油的密度”的实验步骤．(    )

A．把玻璃杯中的一部分油倒人量筒中，记下量筒中油的体积V；B．用天平称出玻璃杯的质量阴o，再把量筒中的油倒人玻璃杯，称出它们的质量m₁；C．在玻璃杯中盛油，用天平称出它们的质量m；D．利用密度公式，求出油的密度ρ；E．称出玻璃杯和杯中剩下油的质量m₂；F．将游码移至横梁标尺左端“O”点上，调节平衡螺母，使指针对准标尺中央的红线；G．把天平放在水平桌面上，观察天平的最大称量值及横梁标尺上的最小分度值；

请选出最佳的实验步骤(可去掉无用步骤)，按照实验合理的操作顺序，把字母填在下面的横线上    。

根据以上选出的最佳步骤中的数据(用字母表示)，可求出油的密度，其表达式为ρ＝            。

答案：GFCAED    （m—m₂）/V．

(3)间接测量量的等值性：

图3

这种方法常用于实验中无法直接测量的物理量的取值问题，也就是对于一个实验中不能直接测量的物理量，可以通过这个物理量对周围的影响或与别的物理量之间存在的某种关系确定这个物理量的大小，然后用相应的公式计算出待测物理量的值．

例7  某同学做“用天平和量筒测石块密度”的实验，用天平测石块质量，天平平衡时，右盘内砝码质量及游码所在的位置如图3(a)所示，石块质量为        g；用排水法测体积，如图3(b)所示，石块的体积为         cm³，则石块的密度为    kg／m³．

答案：84  30  2.8×10³。

说明：①在用量筒测量液体体积时，读数应读凹面中间液面对应的刻度值．而不能读边缘波面对应的刻度值，本题中放入石块和不放石块时量筒上体积的读数分别是90mL和60mL，而不是92mL和62 mL．②在这个测量过程中，V_石=V_2水一_1水

(4)实验的设计性

这种方法是灵活应用物理知识、理论联系实际，根据具体情况，设计出简单、合理、便于操作的实验过程，然后应用物理公式和测量的物理量表示出待测物理量的表达式．

图4

例8  从(1)人上楼梯和(2)利用定滑轮将重物提升到高处(如图4所示)这两个运动中任选一个，想办法来测定人做功的功率．写出主要的步骤及需测量的物理量，并用表示这些物理量的字母写出人做功功率的表达式．

解答⑴：①先用磅秤称出人的质量m，则其重力为G=mg；用弹簧砰测G，一般是不可行的．②用刻度尺测出楼梯的竖直高度h；③用秒表测出入上楼梯所用的时间t．由W=Gh=mgh， P=W/t得：P= mgh/t

解答⑵：①用弹簧测力计称出重物的重力G；②用刻度尺测出重物被提升的高度h；③用秒表测出把重物提升到h高度所需的时间t．若忽略滑轮的质量和绳与滑轮间的摩擦，则有P=Gh/t。

(5)实验的开放性 

这种方法是多向思维、全面考虑、注重知识的横向联系．把各种可能的方法都考虑到．能够考查学生对所学知识灵活掌握和灵活应用的能力．

例9某实验室有一架托盘天平(带有一盒砝码)，横梁上的调节螺母已无法旋动，其他部件均保持完好，天平的等臂性没有改变，将它放在水平桌面上观察横梁的平衡时，指针总偏向分度盘的左端，调换左、右两盘的位置也无法改变这种状况．请你使用这架天平，测出一个小金属块的质量．要求简述测量过程，表达出测量结果．(可选用生活中常见的材料)

图5

解答：此题有多种方法，这些方法都是利用等臂杠杆的性质：(1)首先向右移动游码使横梁平衡，并记下游码所对的刻度值m₁，然后将被测物体放在左盘，右盘放砝码并移动游码位置使横梁平衡，读出右盘中砝码的总质量与游码所对的刻度值之和m₂；被测物体的质量m＝m₂一m₁．(2)将被测物体放在右盘中，往左盘中慢慢地放一些沙子，直到横梁平衡，取下被测物体，改放砝码并移动游码使横梁再次平衡，则被测物体的质量就等于砝码总质量加上游码所对的刻度值．

总之，课程改革给广大物理教师提出了严峻的挑战，要求教师不但有驾驭教学的能力，而且对现代信息、组织课堂……等等方面要求更高。因此希望物理教师要在很短的时间内快速的提高自身的素质，使自己近早的在教育教学的实践中做到有的放矢，向专家型教师迈进。