考查学生设计和实施科学实验能力的探究题

为了验证猜想，需要通过观察收集信息，通过测量获取数据。而观察和测量也可以单靠感官、单靠估测，但那是经验，不一定科学可靠。科学的观察和测量一般就要使用科学的手段和工具，就要设计和实施科学实验。这也是科学探究有别于其它一般探究的一个重要方面。考查学生的实验设计能力，宜在新的（不是课本上已完全给出的）情境中进行。如果所设置的问题情境对学生来说已不是新的，那它考查学生能力的功能就要大打折扣。

例（2005江苏徐州市）液态的露和固态的霜都是水蒸气凝结成的。水蒸气有时候会凝结成露，有时候会凝结成霜。

（1）是什么因素影响水蒸气凝结成露还是霜？请提出你的一个猜想。

（2）请设计一个实验检验你的猜想（写出主要的实验步骤）。

分析：露与霜和云、雨、雹、雪、雾一样，是大自然中水循环现象的具体形式，露与霜都是水蒸气遇冷形成的，但最终结果不同，是什么原因呢？题目引人思考，能激发起学生的思维和想象，有利于学生学习习惯的养成。根据学生的日常生活经验，再结合所学物理知识，容易猜想水蒸气凝结成路还是凝结成霜与当时的环境温度有关。在设计一个实验检验猜想时，要注意在实验中人为的控制温度的变化，这也是科学实验与自然现象的根本区别。而控制温度变化的最方便的方法就是利用家中的冰箱或冰柜，它是我们做许多热学实验常用的器材，应注意应用。

答案：（1）水蒸气凝结成路还是凝结成霜与当时的环境温度有关。

（2）实验步骤：A、分别设定冰箱的温度，一次在零上，一次在零下。

B、将一片树叶分两次放进设定好温度的冰箱中，过一会取出。

C、观察树叶上有露还是有霜出现，即可检验猜想。

例（2004江苏宿迁）铅笔芯的主要成分是石墨。软硬程度不同的铅笔其用途是不同的，例如作画用6B软铅笔、写字用软硬适中的HB铅笔、制图用6H硬铅笔。铅笔芯是导体，那么铅笔芯的电阻大小与其软硬度有何关系呢？请你设计一个实验方案对这个问题进行探究。

（1）实验器材的名称及数量：____________________。

（2）主要实验步骤及所要测量的物理量（用字母表示）：____________________。

（3）分析测得的物理量，判断铅笔芯的电阻大小与软硬度的关系：____________________。

分析：铅笔为什么有软和硬的差别呢？这是因为石墨太软，光用石墨做笔芯，既易断又易磨损。因此，生产上常在石墨中掺进一些粘土粉末以增加硬度。粘土掺得越少，铅笔就越软。是不是铅笔越软，含有的石墨越多，其电阻就越小？或者反过来，通过测出铅笔芯的电阻，是否就能够判断它的石墨含量？

为了判断铅笔芯的电阻与其软硬度的关系，学生需要设计一个实验。尽管这是一个新的问题，但它需要的知识和技能，学生在平时的学习中已经学过。学生也有可能在课堂上做过“通过测量不同的合金线在相同电压下的电流来判断其电阻”的实验。如果能够借鉴这个实验中的方法，学生就能完成试题所要求的设计。

答案：

⑴电源开关电流表导线长度、横截面积都相同而软硬度不同的铅笔芯3根；

⑵①用导线将电源、开关、电流表依次和软、软硬适中、硬铅笔芯连成串联电路；②闭合开关，分别读出电流表的示数I₁、I₂、I₃；

⑶若I₁＝I₂＝I₃，则铅笔芯的电阻大小与软硬度无关；

若I₁＞I₂＞I₃，则铅笔芯的电阻大小与软硬度有关，在长度、横截面积都相同时铅笔芯的硬度越大，电阻越大；

若I₁＜I₂＜I₃，则铅笔芯的电阻大小与软硬度有关，在长度、横截面积都相同时铅笔芯的硬度越大，电阻越小。

例几个同学爬杆比赛时，要比较谁的功率大，分别需要哪些测量仪器和测出哪些物理量？

分析：要设计一个实验来测量人爬杆时的功率，首先就要建立一个科学模型，高度抽象、概括地描述人爬杆时的物理状态。有了正确的模型，爬杆人的体重、爬杆的高度和时间是三个必须考虑的因素。常规的方法是用体重计测体重，用秒表测时间，用长杆和卷尺测高度。而用控制变量的思想（保持同样的高度或用同样的时间），就可以在时间和高度这两个量中少测一个。因此，这样的设计性实验试题，虽然并不复杂，但却考查了学生建立科学模型和正确应用控制变量的方法解决问题的能力。

答案：

（1）用体重计测体重，用秒表测时间，用长杆和卷尺测高度。

（2）用体重计测体重，用秒表测时间。（要求比赛的同学都爬过同样高度）

（3）用体重计测体重，用长杆和卷尺测高度。（要求比赛的同学在几条杆上同时开始，同时停止）

例（2003南京）如图所示，同一水平桌面上放有长方体木块和铁块各一个，现想探究木块和铁块的下表面谁更粗糙，请你只利用一个量程满足实验要求的弹簧测力计，设计一个实验来验证你的猜想，写出实验的步骤、现象和结论。