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1、九年级级物理实验设计专题实验设计专题指导导【本讲讲主要内内容】实验设计专题指导如何提高实验探究能力？考试要求的第 1、2 条是：第 1 条：会根据探究目的和已有条件设计实验第 2 条：会正确使用仪器【知识识掌握】【知识识点精析】实验设计是实验探究的核心，解答这类题目的关键包括思路与表达两个方面。实验设计的基本思路如下：1.识别变量，并对变量进行操作定义；2.操作各种变量，选择控制技术；3.确定实验所需的材料和设备，设计实验步骤；4.设计数据记录表。实验设计的表达可以有多种形式，但必须抓住以下核心要点，把要点表达清楚：1.自变量是怎样改变的；2.自变量是怎样测量的；3.因变量是怎样测量的；4.控
2、制变量是怎样控制的。任何一个要点没有表达清楚都会被扣分。【解题题方法指导导】例 1.小明在室温环境下探究影响导体电阻大小的因素，他采用控制变量法，所需要的导体材料如下表所示。请帮助小明完成下列三个问题。（1）为了研究导体电阻跟导体材料有关，小明应选用的两根导线是。（2）为了研究导体电阻跟导体长度有关，小明应选用导线 C 和导线。（3）如果小明选用导线 A 和导线 D，则可用来研究导体的电阻跟导体的有关。分析与与解：本题考查的重点是区分变量和控制变量法。在问题（1）中，研究导体电阻跟导体材料有关，其中自变量是导体材料，因变量是导体的电阻，则其他变量都是控制变量。自变量要发生改变，即导体材料要不同
3、，控制变量要保持不变，即导体的长度和横截面积都要保持相同，所以要选 C、F 两根导线。在问题（2）中，研究导体电阻跟导体长度有关，其中自变量是导体长度，因变量是导体的电阻，则其他变量都是控制变量。自变量要发生改变，即导体长度要不同，控制变量要保持不变，即导体材料和横截面积都要保持相同，所以要选 C、G 两根导线。在问题（3）中，小明选用导线 A 和导线 D，由于 A、D 两根导线的长度都是 1m，材料都是锰铜，只有横截面积不同，所以，导体的长度、材料都是控制变量，横截面积是自变量，可以用来研究导体的电阻跟导体的横截面积有关。答案：（1）C、F；（2）C、G；（3）横截面积。导线代号ABCDEF
4、G长度L/m1.00.51.51.01.21.50.5横截面积S/mm23.20.81.20.81.21.21.2材料锰铜钨镍铬丝锰铜钨锰铜镍铬丝例 2.小名在探究影响电磁铁磁性强弱的因素时，提出了两个假设：（1）电磁铁线圈的匝数一定时，如果通过电磁铁的电流越大，则电磁铁的磁性就越强。（2）通过电磁铁的电流一定时，如果电磁铁线圈的圈数越多，则电磁铁的磁性就越强。为了验证这两个假设准备了如下实验器材：用漆包线（=1.1mmL=10m）、塑料管（=20mmL=100m）、铁芯（=14mmL=120m）制作一个八抽头的电磁铁（120 匝每 20 匝抽出一个接线端），从实验室选择了干电池（1 号 2
5、节）、开关、滑动变阻器（202A）、电流表（J0407 型）、导线、若干大头针、铁架台。请你利用上述器材，设计实验验证上述两个假设，请画出电路图、分别写出实验步骤并设计数据记录表。分析与与解：首先识别变量，并对变量进行操作定义。根据假设（1）可以确定自变量为电流，因变量为电磁铁的磁性强弱，控制变量为电磁铁线圈的匝数。根据假设（2）可以确定自变量为电磁铁线圈的匝数，因变量为电磁铁的磁性强弱，控制变量为电流。电磁铁的磁性强弱可以定义为吸引大头针的数量多少。假设中的变量如下表所示。自变量因变量控制变量假设（1）电流电磁铁的磁性强弱（吸引大头针的数量）电磁铁线圈的匝数假设（2）电磁铁线圈的匝数电流其次
6、，操作各种变量，选择控制技术。具体地说，就是怎样改变自变量、怎样测量自变量、怎样测量因变量、怎样控制控制变量。为了验证假设（1），需要解决以下四个问题：怎样改变电流、怎样测量电流、怎样测量电磁铁的磁性强弱，怎样控制线圈匝数。为了验证假设（2），需要解决的四个问题是：怎样改变线圈的匝数、怎样测量线圈的匝数、怎样测量电磁铁的磁性强弱，怎样控制电流。第三，确定实验所需的材料和设备，设计实验步骤。改变电流、控制电流都可以用滑动变阻器，测量电流可以用电流表，测量电磁铁的磁性强弱可以计数电磁铁吸引的大头针的数量，改变线圈匝数、控制线圈匝数都可以用自制的多抽头线圈。另外，还需要组成电路的基本元件：电源、开关
7、、导线，为了固定电磁铁的位置，还需要铁架台。在设计的实验步骤中，包括改变自变量、测量自变量、测量因变量、控制控制变量所进行的操作步骤，记录数据的步骤，还包括为了实验的实施而准备的电路连接的步骤。验证假设（1）的实验步骤：1.按下图所示实物电路图连接实物，打开开关，将变阻器滑片放在最大位置。2.试触开关，检验电路连接是否正确。3.调节滑动变阻器，改变电流，观察电流表的示数，用电磁铁去吸引大头针。4.将电流表的示数和大头针的数目记录在表中。5.重复步骤 3 和 4，并将结果记录在表中。验证假设（2）的实验步骤：1.按图所示实物电路图连接实物，打开开关，将变阻器滑片放在最大位置。2.试触开关，检验电
8、路连接是否正确。3.改变电磁铁接线柱，闭合开关，调节滑动变阻器、保持电流值一定，用电磁铁去吸引大头针。4.将电流表的示数和大头针的数目记录在表中。5.重复步骤 3 和 4，并将结果记录在表中。第四，设计数据记录表。在设计数据记录表格时，可以把控制变量固定在表格的右上方，自变量的记录放在表格中的第一行，因变量的记录放在表格中的第二行，以便观察它们之间的数量关系。探究就是要在变化中寻找自变量和因变量之间的关系，一般而言，自变量需要改变 68 次。验证假设（1）的实验数据记录表如表 1 所示，验证假设（2）的实验数据记录表如表 2 所示。表 1电磁铁磁性强弱与电流的关系线圈匝数匝电流（A）电磁铁吸引
9、大头针的个数表 2电磁铁磁性强弱与线圈匝数的关系电流 A匝数电磁铁吸引大头针的个数提示：影响因变量的自变量可能不只一个，因而在进行变量的确立时，首先要保证自变量和因变量的一一对应关系，此自变量确立后，其它关系中出现的自变量在此时就成为被控制的变量。操作性定义的使用就是为了清楚而简洁的将所要测量的事物具体化，以便于其他人确切地使用同样的程序和测量方法重复该实验，同时也可以使每个人能知道研究的是什么。这将有助于对研究结果的解释，减少误解的可能性。【考点突破】【考点指要】实验探究题在市中考物理试题中占 2530 分，是重点与难点之一。实验设计为必考题型。分值约 5 分。要求考生掌握基本测量工具的使用
10、。掌握课本中主要演示实验和学生实验的原理、步骤、结论、实验中出现的现象和重要器材的作用。学会物理实验设计的一般方法，即公式原理法和控制变量法。【典型例题题分析】例 3.实验桌上有如下器材：符合实验要求的电源一个、电流表和电压表各一只、开关一个、各种阻值已知的定值电阻和导线若干。要求从实验桌上选择适当器材，设计一个实验证明：“当通过电阻的电流保持不变时，电阻消耗的电功率与该电阻的阻值成正比”。请画出实验电路图，并写出实验步骤。（1）实验电路图：（2）实验步骤：分析与与解：实验设计的基本思路同例 1，不再赘述。本题的关键是在没有滑动变阻器的情况下如何控制电流保持不变，实际操作时，可以有不同的方法。
11、另外，因变量电功率不能直接测量，需要通过测量电流和电压计算出来，所以，电流和电压属于中间变量。本题的难点之一是如何把实验步骤清楚地表达出来。在实验步骤中要把以下要点表达出来：说明用什么措施控制电流不变；说明自变量电阻是怎样改变的以与改变的次数；说明电流和电压的测量；说明数据的记录。解法一：（1）实验电路图如图 A S R2 R3 R1 V R5 R6 R4（2）实验步骤要点：按电路图将电流表、电压表和六个阻值不同的电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6接入电路中，并把这六个电阻的阻值记录在表格中；闭合开关 S，测出R1两端的电压和通过R1的电流，并把数据记录在表格中；断开开关 S，把电压表连接
12、在R2两端，仿照步骤，测出R2两端的电压和通过R2的电流，并把数据记录在表格中；仿照步骤，分别测出电阻R3、R4、R5和R6两端的电压和相应的电流，并把数据记录在表格中。利用公式P=UI分别计算出电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6消耗的功率P1、P2、P3、P4、P5和P6，并把数据记录在表格中。解法二：（1）实验电路图如图 R2 R3 A S R1 V a b c d（2）实验步骤要点：按电路图将电流表、电压表与三个阻值不同的电阻R1、R2和R3接入电路，并把数据记录在表格中；闭合开关 S，测出R1两端的电压和通过R1的电流，并把数据记录在表格中；仿照分别测出电阻R2、R3、Rac、Rb
13、d和Rad两端的电压以与相应的电流，并把数据记录在表格中；利用公式P=UI分别计算出电阻R1、R2、R3、Rac、Rbd和Rad消耗的电功率。解法三：（1）实验电路图如图 R2 A S R1 V a b c（2）实验步骤要点：按电路图将电流表、电压表与两个不同阻值的电阻接入电路中。闭合开关 S，测出R1两端的电压和通过R1的电流，并把数据记录在表格中；断开开关 S，把电压表连接在R2两端，仿照步骤，测出R2两端的电压和通过R2的电流，并把数据记录在表格中；把R1、R2分别换成与它们阻值不同的电阻R3、R4以与R5、R6，且使R3+R4=R5+R6=R1+R2；仿照步骤、，分别测出R3、R4、R
14、5、R6两端的电压和相应的电流，并把数据记录在表格中；利用公式P=UI分别计算出电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6消耗的电功率，并把数据记录在表格中。提示：本题阅卷时的扣分点如下：实验步骤中没有叙述“阻值不同的电阻”或“不同的电阻”的扣 1 分，不记录各电阻阻值的扣 1 分，此两点不重复扣分；阻值变化少于 6 次的扣 1分；只测一次电流的扣 1 分；没有明确说明用什么措施控制电流不变的扣 1 分；没有控制电流保持不变的不得分。请同学们对照扣分点认真思考上述分析与解法，就会更容易抓住解探究题的精髓。例 4.已知空气可以传播声音，请设计一个简易实验，证明固体也能够传播声音。请写出实验所需要的器
15、材、实验步骤以与实验分析与结论。要求设计的实验具有可行性，要符合安全原则。（1）实验器材：（2）实验步骤：（3）实验分析与结论：分析与与解：本题的难点是不容易区分变量，所以有哪些变量是控制变量就不好确定，也就不能有效控制变量。本题中自变量为声音的传播途径，因变量为声音的接听，其他影响声音接听的所有因素，如声源发出声音的响度、接听距离等都是控制变量。本题的实验设计可以采用对比实验，对比实验的特点是当自变量从一种状态改变为另一种状态，因变量应发生对比鲜明的变化，结果容易观察、显而易见。设计对比实验时要注意这一点。解法一：实验器材：大广口瓶、橡皮塞、小闹钟实验步骤：1.把小闹钟调至响振状态，然后轻放
16、于大广口瓶中，听小闹钟的铃声，要求能听到明显的铃声。2.用橡皮塞盖在大广口瓶的瓶口上并塞紧，要求不漏气。然后，再听小闹钟的铃声。实验分析与结论：瓶内空气与瓶外空气完全被大广口瓶和橡皮塞隔离，如果此时仍能听到小闹钟的铃声，则可证明听到的铃声是通过大广口瓶和橡皮塞传播出来的，即固体也能传播声音。解法二：实验器材：白纸、铅笔、长条桌实验步骤：同学甲在长条桌的一端用铅笔在白纸上用力均匀地写“一”，同时同学乙在桌子的另一端把耳朵贴在桌面上听甲在白纸上写“一”的声音，重复几次实验，都可以清晰地听到写“一”时的声音。同学乙将耳朵离开桌面（注意调整耳朵与笔的距离，保证与上几次实验相比，耳朵与笔的距离相同），同
17、学甲在相同条件下继续写“一”，重复几次实验，都听不到甲在白纸上写“一”的声音。实验分析与结论：在相同条件下，耳朵贴在桌面上听得到声音，在空气中则听不到声音，说明听到的声音是通过桌子传播的，即固体可以传播声音。提示：要求设计的实验具有可行性，器材必要且充足；实验步骤中具有明显、清楚的对比、控制实验条件等控制变量的方法与措施；结论的得出要有条件、有对比、有分析。不少同学用“土”可以传声，说明固体可以传声。但在设计的实验中，没有对比，没有说明在其他条件都相同的情况下，声音不是从其他途径传递过来的，这样就不能说明固体可以传声。如用“土”可以听到同学说话的声音，还要设计在相距同样的距离，用同样大小的声音
18、说话，听不到同学说话的声音，证明声音不是空气传来的，是通过拉紧的绳子传来的，说明固体可以传声。例 5.固体在液体中所受的浮力大小跟什么因素有关？在进行该问题的实验探究时，小李根据自己的经验感受，提出：“在同种液体中，固体所受的浮力大小跟排开液体的体积成正比。”现有实验器材（如图）：测力计、多个相同的钩码、高度足够的烧杯、水。请你根据提供的器材设计一个实验验证小李的猜想。简明陈述实验步骤。陈述时，请用英文字母表明所测量的物理量。分析与与解：本题中自变量为排开液体的体积，因变量为浮力。因为没有量筒，所以排开液体的体积不能直接测量，这是本题的难点之一。解决的办法就是把一个钩码的体积作为单位体积，将钩
19、码浸没在水中就可以用这个单位体积表示物体排开液体的体积。因变量浮力的测量可以利用典型的弹簧测力计测浮力的方法，不再赘述。可见，如何测量一个物理量，在探究题中也是非常重要的。实验步骤要点如下：1.在烧杯中注入适量的水；2.用弹簧测力计测出 1 个钩码受到的浮力 F1，此时钩码排开的水的体积记为 V；3.仿照步骤 2，分别测出 2、3、4、5 个钩码受到的浮力 F2、F3、F4、F5，相应地，2、3、4、5 个钩码排开的水的体积分别记为 2V、3V、4V、5V；【综综合测试测试】1.通过实验同学们已经知道“影响浮力大小的因素”，但王欣同学仍然认为浸没在液体中的物体受到浮力的大小跟它在液体中的深度有
20、关。请你设计一个实验对此进行检验，帮助她解决这一问题。（1）现已提供的器材有：石块、细线、烧杯、适量的水。你设计的实验还需要提供的器材是：_。（2）简要写出实验步骤。2.某同学在测出滑轮组的机械效率后，想进一步探究影响滑轮组机械效率的有哪些因素，他猜想滑轮组机械效率与被提升的物体的重力有关。请你设计一个实验验证他的猜想。（1）写出所需的实验器材。（2）写出你的设计方案。3.通过实验探究，同学们已经知道，浸在液体中的物体受到的浮力与液体的密度和物体排开液体的体积有关，但有些同学猜想，物体受到的浮力大小可能还与物体的密度有关。请你设计一个实验对此猜想进行检验。现有器材：弹簧测力计、细线、烧杯、适量
21、的水。（1）你认为还需补充的器材是：_。（2）简述探究的方法：_。（3）你得到的结论是：_。4.阅读短文，回答短文后的问题在探究“滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关”的过程中，一些同学作出了以下猜想：猜想 A 滑动摩擦力的大小可能与接触面的粗糙程度和压力有关；猜想 B 滑动摩擦力的大小可能与接触面间的压力大小有关；猜想 C 滑动摩擦力的大小可能与产生摩擦力的两物体间接触面积的大小有关步骤 1 把长方体木块平放在水平的长木板上，用弹簧测力计水平拉木块沿直线匀速滑动，读出这时弹簧测力计的读数如图甲；步骤 2 在长方体木块上放上砝码如图乙，用弹簧测力计水平拉木块，使砝码与木块一起沿直线匀速运动，比较“步
22、骤 2”与“步骤 1”中弹簧测力计读数的大小；步骤 3 在水平长木板上铺上一层棉布，把木块平放在棉布上（不加砝码），用弹簧测力计水平拉木块沿直线匀速滑动如图丙，比较“步骤 3”与“步骤 l”中弹簧测力计读数的大小。（1）当用弹簧测力计水平拉木块沿直线匀速滑动时，滑动摩擦力的大小就等于弹簧测力计的读数，为什么？答：_。（2）“步骤 2”的设计目的，是为了检验上述猜想 A、B、C 中哪一个正确与否？答：_。（3）为了检验“猜想 C”是否正确，可在上述实验基础上再增加一个步骤，写出你所设计的这一实验步骤答：步骤 4 _。（4）在“步骤 2”中，若木块上方砝码的重为 0.5N，当用弹簧测力计水平拉木块
23、沿直线匀速滑动时，则砝码与木块间摩擦力的大小（）A.大于 0.5 NB.大于零且小于 0.5NC.等于 0.5ND.等于 05.请利用下列器材：足量的水、酒精和盐水、大烧杯、刻度尺、液体压强计，设计一个实验证明液体内部压强与液体的密度有关。请写出实验步骤。6.芳芳和兰兰用如图所示的实验装置测定了滑轮组的机械效率，在全班交流实验结果时，老师提出：如果各组所用滑轮和串绕绳子的方式不变，改变其他因素，是否会影响它的机械效率呢？大家积极思考，提出了各种猜想，概括起来有如下几种：猜想 1 可能与匀速提升的速度有关；猜想 2 可能与被提升的钩码重有关；猜想 3 可能与匀速提升的速度大小和被提升的钩码重都有
24、关；猜想 4 可能与钩码被提升的高度有关。芳芳和兰兰分别根据各自的猜想进行了探究，实验记录如下表。芳芳的实验记录钩码重（N）绳端拉力（N）机械效率（%）较小提升速度104.279.4%物理量控制因素较大提升速度104.279.4%探究结果兰兰的实验记录钩码重（N）绳端拉力（N）机械效率（%）大致相同的提升速度104.279.4%156.0探究结果帮助兰兰完成其中的一项计算；请根据她俩的实验记录，分别在表中写出探究结果。归纳她俩的实验探究，你所得的结论是。7.某校科技小组自制一台可以测量电阻阻值的欧姆表。如右图所示，欧姆表电路由一只灵敏电流表 G、定值电阻 R0、滑动变阻器和干电池（设电压不变）
25、组成。使用时可把待测电阻接在 A、B 两端，为了能直接从灵敏电流表表盘上读出 A、B 端接入的电阻的阻值，需在表盘 A 上重新标注 A、B 间所测的电阻的阻值数。当将 A、B 两端直接连接在一起时，调节滑动变阻器使灵敏电流表指针偏转到最大位置处（满偏），已知此时灵敏电流表内阻、滑动变阻器的有效值和定值电阻 R0的总阻值为 15。问：G R0 A B（1）在该欧姆表满偏的位置处，盘面应标注的示数是多少？（2）当 A、B 间断开时，该欧姆表指针所指的位置处，盘面应标注的示数是多少？物理量控制因素（3）该欧姆表表盘正中间位置处应标注的示数是多少？简要说明为什么。（4）该欧姆表表盘上的刻度值是否均匀？
26、请从电路原理上说明理由。【综综合测试测试答案】1.（1）器材：弹簧测力计；（2）实验步骤：把石块用细线系住，挂在弹簧测力计钩下；将石块浸没在水中不同深度处（多次）；弹簧测力计读数不变，说明它受的浮力与它浸没的深度没有关系。2.（1）实验器材：结构一定的滑轮组、弹簧测力计、质量相同的钩码、若干或质量不同的物体。（2）设计方案：先用滑轮组挂上一定质量的钩码，测出它的有用功、总功并计算出它的机械效率。保持滑轮组的结构不变，增大（或减小）钩码的质量，再测一次，并计算出它的机械效率。分析计算结果，如果两次的机械效率不同则验证猜想正确。3.（1）等体积的铜块和铝块（其他物块也行）；（2）用细线分别系好铜块
27、和铝块，并分别挂在弹簧测力计上测出其重：G1和 G2，再将铜块和铝块分别浸没在水中，读出弹簧测力计示数 F1和 F2，算出111FGF浮和222FGF浮，比较 F1 浮：和 F2 浮：的大小即可检验上述猜想。（3）物体受到液体浮力的大小与物体的密度无关.4.（1）因为弹簧测力计对木块的拉力与木块受到的滑动摩擦力是一种平衡力；（2）B；（3）步骤 4 把长方体木块侧（或竖）放在水平放置的长木板上，用弹簧测力计水平拉木块沿直线匀速滑动，比较“步骤 4”与“步骤 1”中弹簧测力计读数的大小；（4）D；5.（1）将适量的水注入大烧杯中；（2）用液体压强计测量并记录橡皮膜在液面下 5cm、10cm、15
28、cm 时压强计两管的液面差；（3）把大烧杯中的水换成适量的酒精，重复步骤 2；（4）把大烧杯中的水换成适量的盐水，重复步骤 2；（5）比较水、酒精、盐水在同一深度时的压强值，得出结论。6.（1）83.3；（2）机械效率与速度无关；机械效率与被提升的钩码重有关，钩码重增大，机械效率变大。（3）实验装置不变，钩码重增大，机械效率变大。7.（1）0；（2）无穷大；（3）15，因为指针指在中间时，电流为满偏时的一半，则此时电路中的总电阻为满偏时的 2 倍，即 30，所以表盘正中间的位置应标注 15；（4）不均匀。设电流表内阻、滑动变阻器的有效值和定值电阻 R0的总阻值为 R总（15），设接入的待测电阻为 Rx。由电流表表盘刻度均匀可知：电流表指针偏转角度与通过的电流成正比。若电流与待测电阻也成正比，则欧姆表的刻度也应该是均匀的。但是根据电路有：I=U/（R总+Rx）,可见 I 与 Rx不成正比，所以欧姆表刻度不均匀。