中学物理设计性实验思想方法的培养��������
设计性实验要求学生在掌握实验原理和仪器的基础上富有创造力，自行设计新的实验，它是素质教育在物理实验教学中的具体体现。通过它不仅可以考查学生对实验的原理和方法的理解程度，更重要的是可以考查学生对学过的实验原理、方法灵活地迁移应用和综合应用的能力，考查学生的创造性思维能力。在此可以预料，设计性实验题将成为今后高考实验命题的主要题型。
如何培养学生设计实验的思想方法?
一、以实验原理为“纲”，实现实验方法的迁移
实验原理是物理实验的核心，是设计性实验的基础。要研究实验，只有明确实验的原理，才能真正掌握实验的关键、操作的要点，从而进行实验的设计、改造和创新。因此要想提高学生设计实验的能力，教师必须讲清楚实验原理，引导学生抓住实验原理这个“纲”。所谓实验原理，并不是什么神秘的东西，实际上物理课中所学过的物理规律、物理公式只要含有某一物理量，则该规律、该公式就可以作为研究或测定该物理量的原理基础而进行相应的实验设计。例如用伏安法测电阻的原理是
，要想测出R就要想办法测出加在电阻两端的电压和通过电阻的电流，教师通过对此实验原理和方案的分析与讲解为培养学生设计实验打下了基础。
例题 某电压表的内阻在20Ω～50Ω之间，现要测其总内阻，实验室提供下列可选用的器材：
待测电压表V（量程3V）
电流表A1（量程200A）
电流表A2（量程5mA）
电流表A3（量程0．6A）
滑动变阻器R（最大阻值16Ω）
电源E（电动势4V）
电键K
为了尽量减小误差，要求多测几组数据．试画出符合要求的实验电路图，并标出选用器材的符号。
析与解 教材中“将电流表改装为电压表”的实验中，用半偏法测定电流表的内阻，该题要求测量电压表的内阻，由于电压表内阻都很大，所以用教材中的半偏法测量就不行了。
题中已提供了电流表，要测量的电压表既是一个待测电阻，又是一个显示自身电压的测量仪表，所以采用伏安法即可测出该电压表的内阻──只需将一电流表与该电压表串联，由电流表读出通过电压表的电流I，由电压表读出它自身的电压U，然后由欧姆定律就可计算出该电压表的内阻。电路如图1所示：
这是一道用学过的实验方法进行新的实验设计的设计性实验题，抓住了实验原理
这个“纲”，问题图1就轻松地解决了。此题进一步说明了对已学过的实验原理的深刻理解是解决设计性实验的前提和基础。
二、树立“转换”思想，开拓设计性实验的思路
要提高设计实验能力，必须认真体会物理教材上的实验思想，其实物理教材蕴含大量的实验设计方法。将某些不易显示、不易直接测量的物理量转化为易于显示、易于测量的物理量的方法称为转换法（间接测量法）。例如，测力计是把力的大小转换为弹簧的伸长量；打点计时器是把流逝的时间转换为振针的周期性振动；电流表是利用电流在磁场中受力，把电流转化为指针的偏转角；用单摆测重力加速度是通过公式
，把g的测量转化为T和l的测量；验证碰撞中的动量守恒，采用了转化的方法把
中的“v”转化为
中能直接测量的长度，物理中的转化思想是设计性实验的一个基本思想。
例题 如图2所示，水平桌面上固定着斜面体A，有小铁块B。斜面体的斜面是曲面，由其截面图可以看出曲线下端刚好在桌子边沿，并且其切线是水平的。现提供的实验测量工具只有：天平，直尺。其他的实验器材可根据实验需要自选。现要设计一个实验，测出小铁块B自斜面顶端由静止下滑到底端的过程中，摩擦力对小铁块B做的功，请回答下列问题：
（1）除提供的器材外，还需选用的器材是________________。
（2）简要说明要测量的物理量及表示符号________________。
（3）写出实验结果的表达式（重力加速度已知）________________。
解析 物体由曲面顶端下滑到底端的过程中，只有重力和摩擦力做功，二力做功的代数和等于物体动能的变化量，因此只要测出物体下滑过程中重力的功
，利用平抛运动的有关知识测出物体滑到曲面底端时的速度为v，可得
，再利用动能定理：
，即可求出摩擦力的功
，因此本题答案如下：
（1）白纸、复写纸、重锤
（2）斜面高度h，B的质量m，桌面到水平地面的高度H，B离开桌面它的水平飞行距离s
（3）
此实验设计过程中利用了“转换”的思想方法，使问题较容易地得到了解决。
三、利用仪器设计原理，提高设计实验能力
很好地掌握仪器的结构、工作原理对提高设计实验能力大有帮助，例如我们前面提到的根据电压表测电压的原理和电流表测电流的原理，可以把电压表看成一个能够显示自己两端电压的电阻，把电流表看成一个能显示自身通过电流的电阻，这样电压表和电流表就可以像电阻一样连在电路中，灵活应用。
例题 从下表中选出适当的器材，设计一个电路，来测量A1的电阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并测得多组数据。
器 材
规 格
电流表A1
电流表A2
电压表（V）
电阻R1
滑动变阻器（R2）
电池（E）
电键K
导线若干
量程10mA内阻r1待测（约40Ω）
量程500μA内阻r1=750Ω
量程10V内阻r3=10kΩ
阻值约100Ω保护电阻
总阻值约50Ω
电动势1.5V，内阻很小
（1）画出电路图，标明所选用器材的符号。
（2）若选测量数据中的一组来计算r1，所选用的表达式为r1＝___________，式中各符号的物理定义是：___________。
解析 电路如图3示，
其中，I1是电流表A1中的电流，I2是电流表A2中的电流，r2是电流表A2的内阻。
因要测内阻r1，可以用伏安法直接测出r1，但电压不能直接测量，根据电压表测电压的原理，可以把已知内阻的微安表看成电压表，利用“伏安法”测电阻的原理，把微安表与毫安表并联，则
，另外根据实验的其他要求连成如图3所示电路。
此题利用电压表的设计原理打开了实验设计思路，使没有电压表的问题得到了解决。
设计实验能力的提高需要一个过程，教师在讲授、指导实验时，要注重学生设计实验能力的培养，紧紧围绕科学、可行、安全、简便、精确的设计原则，以大纲和教材中要求的19个学生实验为基础，结合这些基础实验的原理、实验方法和仪器的性能，指导学生设计一些简单的实验，使其设计实验能力逐步有所提高。原载《中学物理》（哈尔滨），2004．10上
