物理设计题

物理设计题具有自主选择器材、自行设计实验步骤并表达待测量的新特点，着力考查学生对重要实验仪器的原理以及使用方法灵活掌握的程度，对物理规律的迁移及灵活运用的能力，思维灵活性以及动手操作的能力.

物理设计题大致可以分为三种形式：（1）测量性设计题：无法用仪器直接测量，但可以测量相关的物理量，然后根据一定的物理规律或公式进行计算得到测量的物理量.（2）研究物理量之间关系的设计题：几个物理量之间的关系研究，可能是同学们未知的，用来考查大家解决问题的策略、方法，对学生的能力要求比较高.（3）应用型设计题：用学到的知识，解决实际问题.考查学生学以致用，理论联系实际的意识和能力.

典例1　如图1所示，给你一个透明玻璃杯、一支铅笔、一块塑料薄片，足够的自来水，请你选用这几种器材，设计三个物理小实验，并指出它所属的物理现象或与之相关的物理知识.（用文字说明）

解析　本题属于应用知识性很强的开放式设计题，根据题设提到的器材，可以涉及到声学、光学、力学一系列知识，只要熟悉相关的物理知识，物理小实验的设计不是难点.

（1）用手指弹塑料薄片，能发出声音，并观察到塑料薄片在振动.这说明声音是由于物体的振动而产生的.

（2）拿铅笔敲打装了水的玻璃杯，重敲比轻敲时水振动得更厉害，听起来声音更响.这说明声音的响度与振幅有关.

（3）往杯子里装水，然后把笔放进杯中，从旁看，铅笔好像折断了.这是光的折射现象.

（4）往杯子里装水，然后把笔放到杯子后面，透过杯子看，铅笔变粗了.这是光的折射（或凸透镜成像）现象.

（5）用笔尖和笔尾按到手指上，感觉到笔尖按下去更疼.说明压力产生的效果与受力面积有关.

（6）用塑料薄片把装满水的杯口完全覆盖，然后把它们倒过来，塑料薄片不会掉下来.证明大气压的存在.

（7）把塑料薄片放在装了水的玻璃杯底，快速抽去塑料薄片，玻璃杯还留在原处.这是惯性现象.

典例2　张明和王芳合作，进行“测定盐水的密度”的实验.

实验器材：天平（含砝码）、量筒、烧杯、盐水

实验步骤：

步骤一：用天平测出空烧杯的质量m1；

步骤二：将盐水倒进烧杯，用天平测出装有盐水的烧杯总质量m2；

步骤三：将烧杯中的盐水全部倒入量筒中，读出盐水的体积V；

步骤四：计算出盐水的密度.

他们收拾好实验器材后，一起对实验过程进行了评估.

张明说：我们的实验原理正确，实验器材使用恰当，操作过程规范，读数准确，计算无误，得出的盐水密度是准确的.

王芳说：在操作过程中，我发现有一点儿盐水沾在烧杯内壁上，这样，尽管我们操作规范、读数准确、计算无误.但我们测量得到的数据还是有了误差，导致计算的结果也有误差.

张明认真思考后，同意了王芳的意见.然后，他们一起继续探讨如何改进实验方案，尽量减小测量的误差.

根据张明和王芳对实验过程的评估，请你回答：

（1）王芳这里所指的“测量误差”是在上述步骤的第

步骤产生的，导致了盐水体积读数

（选填“偏大”或“偏小”），从而使得盐水密度的计算结果

.（选填“偏大”或“偏小”）

（2）为了减小实验的误差，必须从质量和体积两方面的测量进行控制.根据张明和王芳的意见分析，在不增加实验器材的条件下，提出你的实验设计方案，使实验结果的误差达到最小.实验步骤是：

.

（3）在你的设计方案中，控制误差的思路是：

.

解析　对实验进行评估和对实验再设计，这对学生的能力要求比较高，本题对“测定盐水的密度”的实验误差进行评估，根据密度公式ρ=m／V，造成误差主要原因是测量质量和体积的误差，要减小误差也得从减小质量和体积的测量误差想办法.

（1）他们的实验采用的是先测质量后测体积的方法，小芳发现有一点儿盐水沾在烧杯内壁上，从而导致测量误差，盐水沾在烧杯内壁上，在将烧杯中的盐水全部倒入量筒中时，实际上盐水全部倒入量筒中是根本做不到的.因此，实验第三步骤，导致了盐水体积读数偏小，从而使得盐水密度的计算结果偏大.

（2）改进方案：

步骤一：将适量的盐水倒入量筒中，测出盐水的体积V1；

步骤二：用天平测出盐水和量筒的质量m1；

步骤三：把量筒里的盐水倒出一部分，再测出量筒内剩余盐水的体积V2、剩余盐水和量筒质量m2；

步骤四：计算出倒出部分盐水的密度.

（3）这种方法避免了因盐水沾在烧杯壁所引起的误差，保证m1、m2测量准确，V1读数准确，尽管V2的读数还是存在着误差，但已经把误差控制到最小.

典例3　如图A是某区域湿地的实际形状，形状极不规则，现给你一张缩小n倍的湿地地图、一张质量、厚度均匀的硬纸板、刻度尺和一架天平，请你设计尽可能简单的方法，写出如何能够准确测量它的面积.

解析　本题可以采用一种“称地图，算面积”的转换测算方法.如图B所示.

①将缩小n倍的湿地图形画在一张质量、厚度均匀的硬纸板上；

②剪下画在硬纸板上的“地图”，用天平称出它的质量M图，设硬纸板的密度为ρ，厚度为h，则“地图”的密度ρ=■；

③在相同硬纸板上再剪一个形状规则、面积为S样的样品，称出其质量m样；样品的密度ρ=■；

④根据上述已知量、测得量算出S图=S样·■，则湿地的实际面积S=nS图=nS样■.

典例4　给你一个量筒和适量的水，请你设计一个实验，估测一块橡皮泥的密度.要求：写出实验步骤及所测的物理量，导出用测量的量表示橡皮泥密度的数学表达式.

解析　本题涉及量筒的使用方法及浮力的知识.要确定橡皮泥的密度，需测出其体积和质量.体积可以用量筒与水测出，题目中未提供天平或测力计，所以质量无法直接测出，但根据生活经验，橡皮泥密度大于水，但它具有可塑性，可以把橡皮泥捏成一个空心的小碗状，使它漂浮在水面，利用量筒中水面的变化可以求出其漂浮时排开水的体积，然后利用阿基米德原理计算它受到的浮力，橡皮泥漂浮时浮力等于重力，最后计算出它的质量.从而找到了密度的测量方法.