浅析初中物理实验设计

浅析初中物理实验设计

物理作为一门以观察和实验为基础的自然科学，无论在物理研究过程中，还是物理教学中实验都扮演着不可或缺的重要角色，同时也是激发学生学习兴趣、培养学生能力的前提。

物理教学大纲中也明确的要求了大量的演示实验及学生实验，旨在通过实验来建立对物理概念和规律的理解，培养学生的实验能力。北京市中考物理中对实验相关知识、能力的考查也占大了相当大的比重，而近几年尤其突出了对学生实验综合能力的考查，诸如证伪题、实验步骤设计、实验数据表格设计等，这类的题目也逐步成为中考物理中区分度最大的一类题目，各个区的模拟题中也不断尝试推陈出新。为了能够帮助学生在学习和复习的过程对这类问题缕清思路，接下来我们针对这几类问题进行分析。

1.证伪题要清晰变量与结论间的关系

证伪题对于考查学生的物理现象分析能力和实验设计能力都有着不可替代的作用，但很多学生甚至命题老师在处理这类问题的过程中都经常出现偏差。

证伪题一般可以分为两类，一类是利用控制变量法证明某结论或找到归因，这类问题的关键在于确定改变的变量是什么。举个例子：

例1.小红想利用实验研究影响液体压强大小的因素，于是她找来扎有橡皮膜的平底试管，逐渐往试管中加水，发现加水越多橡皮膜凸起越厉害，所以她得出结论：液体越重，产生的压强越大。请你利用已有器材证明她的观点是错误的，请你写出实验步骤和实验现象。

参考答案：将平底试管倾斜放置，观察到橡皮膜凸起程度变小，所以小红的观点是错误的。

这个问题要证明的是“液体越重，产生的压强不一定越大”，由这个结论很容易看出需要改变的变量是液体的重力，设计一个实验使重力变大时压强不一定变大。而参考答案改变的物理量是倾斜角度或者说深度，当橡皮膜的凸起程度变化时说明倾斜角度或者说深度对压强大小的有影响，即出现了逻辑问题，与题目要求不符，所以找对需要改变的变量很关键。

例2.小东利用图1所示装置，探究压力的作用效果。其中A和B是作为支架的木块，C为弹性很好的钢板尺。M表示形状相同、质量不同的金属块。小东在实验中发现，随着金属块M的质量变大，钢板尺C的弯曲程度也变大。于是小东得出结论：“在受力面积一定时，物体M的重力越大，钢板尺C的弯曲程度就越大。”请你利用现有器材，重新设计实验证明小东的结论不正确。请你简述（1）实验步骤；（2）实验现象；（3）实验分析与结论。

参考答案：（1）实验步骤：保持物体M的质量不变，把钢板尺C的一端逐渐抬高。（2）实验现象：可以观察到钢板尺C的弯曲程度逐渐变小。（3）实验分析与结论：金属块M的质量（重力）没有变化，钢板尺C的弯曲程度发生了变化。这就可以说明小东的结论不正确。

这个参考答案出的问题跟例1类似，也是没有找对自变量，参考答案证明的是倾角对压力作用效果的影响。这个实验设计中其实需要改变物体的重力，但要保证压力作用效果不变。利用现有器材只能将钢尺竖直放置，施加力F将M在钢尺旁静止；换更大质量的M，用同样的力使其在钢尺旁静止。重力改变，但钢尺的形变程度未变，从而证明小东的结论不准确。

另一类证伪题主要是通过测量的方法证明某一结论。诸如2015中考物理题中的第38题。

例3.学校组织学生参观中国科技馆，同学们在“探索与发现A 厅”里面看到一个十分有趣的“物体上滚？”的实验。实验时，将双圆锥体轻轻放在倾斜轨道的最低端，看到双圆锥体从静止向轨道高处滚去。实验引起了同学们的讨论，小军认为“双圆锥体上滚”是真的，眼见为实；小乐认为“双圆锥体上滚”是错觉，双圆锥体不可能自动由低处向高处运动。小乐和小军为证明各自的观点，取了两根木条放在水平桌面上，将木条左端垫高，做成一个倾斜轨道，将双圆锥体放在轨道右端，如图 2 甲所示，由静止释放后双圆锥体向轨道高处滚去，双圆锥体最终停在轨道左端，如图2乙所示。这个实验成功再现了在科技馆看到的现象。

请你根据图2甲、乙所示的实验，选择适当的器材，通过测量判断小军和小乐谁的观点正确，写出你的测量方法并简要说明。

本题便可以通过测量圆锥体在轨道两端重心的高度来进行解决，非常具有代表性，不做赘述。

2.实验设计题紧扣自变量、因变量和控制变量

例4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：“电阻消耗的电功率与该电阻的阻值成正比”。根据实验要求回答下列问题：

（1）在这个实验中，控制变量是__________________。

（2）画出实验电路图。

（3）写出第一次实验完整的步骤并设计出实验表格。

我认为在上述题目中第一个问题是很关键的，但问的不妥。根据所要证明的结论可知在这个实验设计当中自变量和因变量分别是电阻和电功率，但所有的物

理规律都是有前提条件的，也就是得到该结论中需要控制的变量。尽管学生很容易答出所需要的控制变量是“电流”，但要去证明一个不完整的结论本身是有问题的，有明显的“投其所好”倾向。

当明确了自变量、因变量和控制变量后，第二、三问当中的电路图和实验步骤并不难完成：要控制“电流”变量，则利用串联电路；要求得因变量“电功率”，则需测得电阻两端的电压和电流，利用公式P=UI计算即可。

3.设计实验数据表格的两个基本原则

在表格设计当中我认为需要注意各物理量之间的关系，尤其有两个基本原则需要特别注意。

A.设计表格的第一个原则是要弄清实验步骤中涉及到哪些物理量及其單位，比如这个题目当中涉及到的有R、U、I、P，各自的单位需要再物理量后标注。

B.这些物理量的顺序要把握两点：（1）自变量在前，因变量在后；（2）已知量在前，测量量在中，计算量在后。比如上题中自变量R应该在因变量P的前边；另外R属于已知量应该在测量量U、I的前边，P属于计算量应该在测量量U、I的后边。

把握好以上两点基本原则表格设计的题目基本就迎刃而解了。

以上对于实验大题的几点分析对于解题有一定的帮助，但从学生物理分析能力培养的角度来讲还是需要从平时的教学过程中下力气，把平时教学中的一些实验讲透彻是非常关键的，让学生对实验中自变量、因变量以及相应的结论进行深入分析，这里以比热容概念建立的过程为例进行说明。

为了研究不同的物质的吸热本领，我们常取等质量的水和食用油，用相同的加热装置同时加热，通过温度计测量水和食用油温度随时间的变化，很多老师往往直接得到物质的种类对吸放热多少的影响，但其实不然。

在这个实验中可以做三组对比。（1）是等质量同种物质加热过程中温度随时间的关系，它其实反映出来的是t与Q的关系；（2）是等质量的不同物质加热相同时间温度与物质种类的关系，它反映的是t与c的关系；（3）是对实验数据再挖掘，分析等质量的不同物质提升相同温度所需时间与物质种类的关系，探究Q 与c的关系。这三组对比分别在三个层次，只有都讲透彻学生才会理解的更加深刻。

在平时的教学过程中加强对实验的分析，提高学生对实验的理解水平，让学生能够深刻体会自变量、因变量间的关系，正确领悟控制变量法的精髓，才能做到在考场中有的放矢，在“区分度”中脱颖而出。