考情動(dòng)態(tài)分析
從高考實(shí)驗(yàn)試題可以看出,高考對(duì)實(shí)驗(yàn)的考查，除了注重基本的實(shí)驗(yàn)操作外，還十分注重學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法的理解程度及其遷移應(yīng)用能力的考查.特別是近幾年的實(shí)驗(yàn)考查,每年都有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題.而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的依據(jù)就是教材中19個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)涉及到的原理、方法,所以在第二階段的復(fù)習(xí)中，應(yīng)認(rèn)真剖析大綱中所要求的19個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，提煉出其中所蘊(yùn)藏的思想方法，加以深刻的領(lǐng)會(huì)、理解，從而做到靈活地遷移應(yīng)用.
考點(diǎn)核心整合
一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理性方法
1.等效法
等效法是科學(xué)研究中常用的一種思維方法.對(duì)一些復(fù)雜問題采用等效方法，將其變換成理想的、簡(jiǎn)單的、已知規(guī)律的過程來處理，?？墒箚栴}的解決得以簡(jiǎn)化.因此，等效法是物理實(shí)驗(yàn)中常用的方法.如在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)中，要求用一個(gè)彈簧秤單獨(dú)拉橡皮條時(shí)，要與用兩個(gè)彈簧秤互成角度同時(shí)拉橡皮條產(chǎn)生的效果相同——使結(jié)點(diǎn)到達(dá)同一位置O，即要在合力與兩分力等效的條件下，才能找出它們之間合成與分解時(shí)所遵守的關(guān)系——平行四邊形定則.在“碰撞中的動(dòng)量守恒”實(shí)驗(yàn)中，用小球的水平位移代替小球的水平速度;“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)木板的傾角使重力的分力抵消摩擦力而等效于物體不受摩擦力作用;還有，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中電流表的改裝、用替換法測(cè)電阻等，都是等效法的應(yīng)用.
2.轉(zhuǎn)換法
將某些不易顯示、不易直接測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化為易于顯示、易于測(cè)量的物理量的方法稱為轉(zhuǎn)換法(間接測(cè)量法).轉(zhuǎn)換法是物理實(shí)驗(yàn)常用的方法，例如，測(cè)力計(jì)是把力的大小轉(zhuǎn)換為彈簧的伸長(zhǎng)量;打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是把流逝的時(shí)間轉(zhuǎn)換成振針的周期性振動(dòng);電流表是利用電流在磁場(chǎng)中受力，把電流轉(zhuǎn)化為指針的偏轉(zhuǎn)角;用單擺測(cè)定重力加速度g是通過公式T=2π 把g的測(cè)量轉(zhuǎn)換為T和l的測(cè)量;
估測(cè)分子的大小時(shí)不是直接測(cè)量分子的直徑，而是測(cè)油滴的體積和它所形成的單分子油膜的面積而間接測(cè)得分子的直徑;測(cè)光的波長(zhǎng)是通過測(cè)易于測(cè)量的雙縫干涉條紋之間的寬度后來求得的,等等.
3.留跡法
留跡法即是利用某些特殊的手段，把一些瞬間即逝的現(xiàn)象(如位置、軌跡等)記錄下來，以便于此后對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)的研究.留跡法也是物理實(shí)驗(yàn)中常用的方法.如用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上的點(diǎn)跡記錄小車的位移與時(shí)間的關(guān)系;用描跡法描繪平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡;在“測(cè)定玻璃折射率”的實(shí)驗(yàn)中，用大頭針的插孔顯示入射光線和出射光線的方位;在“電場(chǎng)中等勢(shì)線的描繪”的實(shí)驗(yàn)中，用探針通過復(fù)寫紙?jiān)诎准埳狭粝碌暮圹E記錄等勢(shì)點(diǎn)的位置……都是留跡法在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.
4.累積法
是把某些難以直接準(zhǔn)確測(cè)量的微小量累積后測(cè)量，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度.如在缺乏高精密度的測(cè)量?jī)x器的情況下測(cè)細(xì)金屬絲的直徑，常把細(xì)金屬絲繞在圓柱體上測(cè)若干匝的總長(zhǎng)度，然后除以匝數(shù)可求細(xì)金屬絲的直徑;測(cè)一張薄紙的厚度時(shí)，常先測(cè)出若干頁紙的總厚度，再除以被測(cè)頁數(shù)而求每頁紙的厚度;在“用單擺測(cè)重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中，單擺周期的測(cè)定就是通過測(cè)單擺完成多次全振動(dòng)的總時(shí)間除以全振動(dòng)次數(shù)，以減少個(gè)人反應(yīng)時(shí)間造成的誤差影響等.
5.模擬法
模擬法是一種間接實(shí)驗(yàn)方法.它是通過與原型相似的模型，來說明原型的規(guī)律性.模擬法在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的典型應(yīng)用是“電場(chǎng)中等勢(shì)線的描繪”這一實(shí)驗(yàn).由于直接描繪靜電場(chǎng)的等勢(shì)線很困難，而恒定電流的電場(chǎng)與靜電場(chǎng)相似，所以用恒定電流的電場(chǎng)來模擬靜電場(chǎng)，通過它來了解靜電場(chǎng)中等勢(shì)線的分布情況.
6.黑箱法
黑箱是指內(nèi)部結(jié)構(gòu)不明的系統(tǒng).黑箱方法是指在不打開黑箱的情況下，通過觀察或是通過有目的的向黑箱輸入信息記錄黑箱相應(yīng)的輸出，找出其行為的規(guī)律，然后根據(jù)已有的知識(shí)對(duì)黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作出推測(cè)的方法.學(xué)生實(shí)驗(yàn)“用多用電表探索黑箱內(nèi)的電學(xué)元件”就是典型的黑箱方法的應(yīng)用.(方法應(yīng)用見例4)
二、減小系統(tǒng)誤差的方法
從誤差的來源看，誤差分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差兩種.
偶然誤差是由于各種偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響而產(chǎn)生的.偶然誤差具有隨機(jī)性，有時(shí)偏大，有時(shí)偏小，所以減小偶然誤差的方法就是通過多次測(cè)量求平均值.
系統(tǒng)誤差是由于儀器本身不精確或?qū)嶒?yàn)方法粗略或?qū)嶒?yàn)原理不完善而產(chǎn)生的.它的特點(diǎn)是使測(cè)量總是偏大或總是偏小.所以，采用多次測(cè)量求平均值的方法不能減少系統(tǒng)誤差.要減少系統(tǒng)誤差，必須校準(zhǔn)儀器或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法或設(shè)計(jì)在原理上更為完善的實(shí)驗(yàn).
學(xué)生實(shí)驗(yàn)中就有不少減少實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的方法和措施.譬如，在“研究勻變速運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)中，若使用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量，由于電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振針與紙帶之間有較大的且不連續(xù)、不均勻的阻力作用，給加速度的測(cè)定帶來較大的系統(tǒng)誤差.若改用電火花計(jì)時(shí)器，就可以使這一阻力大為減小，從而減小了加速度測(cè)定的系統(tǒng)誤差.再如，在用“伏安法”測(cè)電阻時(shí)，為減小電阻測(cè)量的系統(tǒng)誤差，就要根據(jù)待測(cè)電阻阻值的大小考慮是采用電流表的“外接法”還是“內(nèi)接法”.在用“半偏法”測(cè)電流表的內(nèi)阻時(shí)(如圖5-2-1所示)，為減少測(cè)量的系統(tǒng)誤差，就要使串接的限流電阻R比并聯(lián)在電流表兩端的電阻箱R′的阻值大得多.
鏈接?思考
用上圖所示的電路測(cè)電流表內(nèi)阻時(shí)，系統(tǒng)誤差是使電流表內(nèi)阻的測(cè)量值偏大還是偏小？要減少測(cè)量的系統(tǒng)誤差，對(duì)電源電動(dòng)勢(shì)的大小有什么要求？
答案：偏小 電源電動(dòng)勢(shì)增大則限流電阻R也將隨之增大.
三、控制實(shí)驗(yàn)條件的方法
實(shí)驗(yàn)就是利用儀器設(shè)備在人為控制的條件下進(jìn)行的觀察研究活動(dòng).其中對(duì)實(shí)驗(yàn)過程恰當(dāng)準(zhǔn)確的控制是做好實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵.通過控制可使復(fù)雜的條件得到簡(jiǎn)化和純化，凸顯要研究的因素在現(xiàn)象中的作用.通過控制，可使實(shí)驗(yàn)按要求的條件進(jìn)行，從而得出準(zhǔn)確的結(jié)論.
實(shí)驗(yàn)中的控制包括對(duì)實(shí)驗(yàn)參量的控制和對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的控制.
對(duì)實(shí)驗(yàn)參量的控制是指在實(shí)驗(yàn)涉及多個(gè)參量時(shí)，為了清楚地顯現(xiàn)出各個(gè)參量之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)時(shí)只改變其中的一個(gè)自變量,研究這一自變量與因變量之間的關(guān)系，而保持其他的自變量不變.譬如，在“研究牛頓第二定律”的演示實(shí)驗(yàn)中，涉及到加速度、合外力和物體的質(zhì)量這三個(gè)參量，在研究加速度與合外力的關(guān)系時(shí)，要保持物體的質(zhì)量不變;在研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，要保持物體所受的合外力不變.
每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件的特殊要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的控制即是指實(shí)驗(yàn)中要通過對(duì)儀器設(shè)備及環(huán)境的控制使之符合實(shí)驗(yàn)的條件.譬如，在“研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)”這一實(shí)驗(yàn)中，要調(diào)節(jié)斜槽末端的水平，來保證每次小球飛出的初速度沿水平方向;要使小球從斜槽上的同一位置開始滑下，保證小球每次從斜槽末端飛出時(shí)的速度大小相同.電學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用滑動(dòng)變阻器時(shí)，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，確定滑動(dòng)變阻器是采用“限流式”接法還是“分壓式”接法.在“把電流表改裝為電壓表”的實(shí)驗(yàn)中，用“半偏法”測(cè)定電流表的內(nèi)阻時(shí)，器材的選取要符合限流電阻R比分流電阻R′大得多這一條件，只有在這一條件得以保證的情況下，才可認(rèn)為電流表的內(nèi)阻等于分流電阻R′.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，所用重錘的質(zhì)量要大，紙帶要豎直拉起后再松手，這樣才可認(rèn)為紙帶受的阻力是可忽略的因素，重錘的機(jī)械能守恒.
四、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法
1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效數(shù)字表示方法.
中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量讀數(shù)(直接測(cè)量)是要求按有效數(shù)字的規(guī)則來讀寫的，但對(duì)有效數(shù)字的運(yùn)算不作要求，間接測(cè)量的結(jié)果一般寫為2—3位有效數(shù)字就可以了.
2.列表法
在實(shí)驗(yàn)中常將數(shù)據(jù)列表記錄.為了發(fā)揮列表在數(shù)據(jù)處理中的作用，要求設(shè)計(jì)表格要簡(jiǎn)明，便于看出有關(guān)量之間的關(guān)系.表中各符號(hào)所代表物理量的意義要清楚，并寫明單位.單位一般寫在標(biāo)題欄中，不重復(fù)地記錄在各數(shù)字上.
3.圖象法
圖象法是物理實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用的處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法.圖象法的最大優(yōu)點(diǎn)是直觀簡(jiǎn)便.在探索物理量之間的關(guān)系時(shí)，用作圖描點(diǎn)的方法很方便，由圖象可以直觀地看出物理量之間的函數(shù)關(guān)系或變化趨勢(shì)，由此建立經(jīng)驗(yàn)公式.由于描繪圖線時(shí)要求數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布要盡量均勻地分布在圖線的兩側(cè)，所以作出的圖線對(duì)數(shù)據(jù)有取平均的效果.如果有個(gè)別點(diǎn)偏離圖線特別大，則可能是測(cè)量或數(shù)據(jù)計(jì)算中的錯(cuò)誤，應(yīng)予舍棄或重新測(cè)量.
雖然圖象法有許多優(yōu)點(diǎn)，但它僅僅是一種粗略的數(shù)據(jù)處理方法.譬如，在圖紙上連線時(shí)有相當(dāng)大的主觀任意性，另外連線的粗細(xì)、圖紙的大小、圖紙本身的均勻程度等，都對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性有影響.
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