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沖刺重高專訓14　實驗方案設計　
實驗設計題是近兩年中考的熱點，一般會將課本探究和實驗進行改編，考查實驗設計。實驗設計題考查較多的題型，一是測量類實驗設計，這類題按照實驗原理測出需要的物理量即可，另一個探究規律類實驗設計，這類題目一般運用控制變量法，控制除要探究的變量不同外，其他變量相同且適宜即可。
1．小明通過閱讀，知道了最早的電池是1791年意大利物理學家伏特發明的伏打電池。于是他自制了一個如圖所示的伏打電池，但是不能確定哪個金屬片是電池的正極。請你幫他設計實驗并進行判斷。
(第1題)
(1)寫出你選用的實驗儀器。
(2)簡述操作方法、實驗現象和結論。
【解析】　方案一：(1)選用的器材：電壓表和導線。
(2)探究的方法：將電壓表的正接線柱與銀片相連，再把與鋅片相連的導線與電壓表的負接線柱進行試觸，若電壓表指針正向偏轉，則說明與電壓表正接線柱連接的銀片是水果電池的正極；若電壓表反向偏轉，則鋅片是電池的正極。
方案二：(1)選用的器材：電流表和導線。
(2)探究的方法：將電流表的正接線柱與銀片相連，再把與鋅片相連的導線與電流表的負接線柱進行試觸，若電流表指針正向偏轉，則說明與電流表正接線柱連接的銀片是水果電池的正極；若電流表反向偏轉，則鋅片是電池的正極。
2．為驗證溫度對酶活性的影響，小李設計了如下實驗。實驗材料和用具：質量分數為2%的新配制的淀粉酶溶液、質量分數為3%的可溶性淀粉溶液、碘液、冰塊、6支試管、水浴鍋、燒杯、溫度計等。
實驗步驟：①取3支試管，分別加入2 mL淀粉酶溶液，分別標號為A、B、C，并分別調整到0 ℃、35 ℃、100 ℃。②……。③……。④向三支試管中各加入1滴碘液，觀察顏色變化。
請完善小李的實驗步驟并回答下列問題：
(1)寫出實驗步驟②：另取3支試管分別加入2_mL_3%的可溶性淀粉溶液，分別標號為A′、B′、C′，并分別調整到0_℃、35_℃、100_℃。
(2)寫出實驗步驟③：待溫度穩定后將A′倒入A，B′倒入B，C′倒入C，保持各組溫度5_min。
(3)你預期的實驗結果是A、C試管出現藍色，B試管不出現藍色或藍色較淺。
(4)該同學由此得出實驗結論，35 ℃是淀粉酶的最適溫度。請問這一結論是否合理？如不合理，應如何改進？請提出設計思路：不合理，以一定的溫度(如5_℃)為梯度，設置對比實驗。
3．如圖所示，實驗桌上有兩個完全相同的保溫燒瓶，燒瓶內裝有質量相等、初溫相同的煤油、完全相同的溫度計，燒瓶內還分別裝有阻值為10 Ω的電阻絲R1和阻值為5 Ω的電阻絲R2。實驗桌上還有滿足實驗要求的電源一個、開關一個以及導線若干。請利用上述實驗器材，設計一個實驗證明：煤油升高的溫度與電阻絲的阻值有關。請畫出實驗電路圖，寫出實驗步驟，畫出實驗數據記錄表格。

甲 乙
(第3題)
【解析】　探究煤油升高的溫度與電阻絲的阻值有關，要控制電流和通電時間相同，故將兩電阻絲串聯在電路中，如解圖所示。
(第3題解)
實驗步驟：①按照電路圖連接電路，讀出甲、乙燒瓶中溫度計的示數t0，R1、R2的阻值，并記錄在表格中；②閉合開關S，通電一段時間后，同時讀出甲、乙燒瓶中溫度計的示數t，并記錄在表格中，斷開開關S；③利用Δt＝t－t0，計算出溫度變化，并將Δt的值記錄在表格中。
實驗數據記錄表如下：
甲
乙
R/Ω
t0/℃
t/℃
Δt/℃
4．小科為了比較不同的鹽溶液對金屬銹蝕速率的影響，在實驗室進行了探究。
【實驗器材和藥品】 鐵釘、氯化鈣溶液、氯化鋇溶液、氯化鈉溶液、蒸餾水、試管若干支、計時器。
老師對實驗的建議：鹽溶液濃度不宜超過10%。
(1)該實驗還可能用到的儀器有量筒、膠頭滴管。
(2)結合老師建議，請你幫小科寫出具體實驗步驟。
【解析】　(2)答題要點：①鐵釘質量、大小的控制；②鹽溶液量的控制；③空白對照組的設置；④條件的設置；⑤觀察對象的選擇；⑥數據的記錄、分析。
示例：①取四支干凈的試管，標號A、B、C、D，分別裝入質量、大小相同的鐵釘；②在A、B、C三支試管中加入濃度均為10%的體積相同的氯化鈣溶液、氯化鋇溶液、氯化鈉溶液，在D試管中加入相同體積的蒸餾水；③四組的鐵釘一半沒于溶液中，一半露在空氣中；④一段時間后觀察鐵釘產生銹斑的面積；⑤記錄數據并得出結論(相同濃度、相同體積的鹽溶液中，銹斑產生的面積越大，該鹽溶液對金屬的銹蝕速率越大)。實驗設計方案的表達形式可以是表格、裝置圖或文字描述。
5．小金自學了電學，知道了歐姆定律后，他想用實驗來驗證“通過導體的電流與這段導體兩端的電壓成正比”，于是找來了實驗器材：電壓表、電流表、電源、滑動變阻器、開關各一個，若干定值電阻、導線。請你利用這些器材幫他設計一個驗證此結論的實驗方案。
(1)畫出實驗的電路圖。
(2)寫出實驗的步驟以及需要測量的物理量。
【解析】　(1)在探究電流與電壓關系的實驗中，變阻器、定值電阻、電流表串聯，電壓表測定值電阻兩端電壓，如解圖所示。(2)實驗步驟：①按照電路圖連接電路，將滑動變阻器滑片移至阻值最大處，閉合開關。②移動滑片，用電壓表和電流表分別測出定值電阻R兩端的電壓U1和通過的電流I1。③再移動滑片，重復步驟②，測得另兩組對應的數值U2、I2、U3、I3。④比較U1/I1、U2/I2、U3/I3的數值，得出驗證結論。⑤然后更換不同阻值的定值電阻，重復以上實驗步驟①～④。
(第5題解)
6．(2017·北京)在探究物體動能的大小與物體質量是否有關的實驗中，需要控制物體的速度大小相等。為了控制物體的速度大小相等，小華選用了體積相等、質量不等的金屬球A和B，利用如圖所示的帶滑槽的軌道進行實驗。小華認為：如果A、B兩球先后從軌道上同一高度處由靜止開始釋放，那么A、B兩球到達軌道零刻度線處的速度大小相等。小剛對小華的觀點提出了質疑。請你根據實驗需要，添加適當的器材，設計實驗檢驗小華的觀點是否正確。請你寫出檢驗的實驗步驟。
(第6題)
【解析】　添加器材：完全相同的滑槽軌道一個。
實驗步驟：①將完全相同的兩個帶有滑槽的軌道并排放在水平桌面上，使兩端對齊；②將A、B兩個金屬球分別放置在兩個軌道的最高點，從靜止開始同時釋放，觀察兩球是否并排滾動，直到軌道零刻度線處。實驗分析：若兩個小球A、B并排滾動到零刻度線處，說明小球下落的速度與小球的質量無關，小華的觀點正確；若兩個小球A、B先后滾動到零刻度線處，說明小球下落的速度與小球的質量有關，小剛的觀點正確。
7．小科帶著橡膠手套干完家務時，發現手與手套之間粘了些汗水后，手套就很難取下來。小科思考：物體之間的摩擦力大小與接觸面之間的水量多少是否有關。于是，他利用彈簧測力計、小鐵塊、膠頭滴管和玻璃臺面的桌子設計并進行如圖所示的實驗。實驗時，每次在水平玻璃桌面上滴不同滴數的水并涂抹均勻，然后用測力計水平拉著鐵塊在玻璃桌面上做勻速直線運動，測量并記錄摩擦力的大小。在實際操作過程中，小科發現彈簧測力計示數很難穩定，老師提醒其可用斜面代替彈簧測力計來完成該實驗的探究。請你幫助小科完成該實驗設計。
(第7題)
【解析】　①支起斜面，在斜面底端的水平面上放上木板；②讓木塊從斜面的某一確定的位置由靜止滑下，用刻度尺測木塊在水平木板上滑行的距離s1；③將木板用10滴水打濕并涂抹均勻，讓木塊從斜面的同一位置由靜止滑下，用刻度尺測出木塊在水平木板上滑行的距離s2；④將木板用20滴、30滴、40滴水打濕并涂抹均勻，重復實驗②③，記錄距離為s3、s4、s5；⑤比較木塊幾次在木板上滑行的距離，滑行越遠摩擦力越小。
(第7題解)
8．影響摩擦力大小的因素除了壓力大小和接觸面的粗糙程度之外，還有哪些呢？某同學作出了如下猜想：
猜想一：摩擦力的大小可能與接觸面面積大小有關。
猜想二：摩擦力的大小可能與重力大小有關。
為了驗證猜想一，該同學用圖甲的實驗裝置進行如下操作：
甲
乙
丙
(第8題)
①把長、寬、高分別為15 cm、10 cm、5 cm且各表面粗糙程度相同的金屬塊平放在質量不計的白紙上，讀出壓力傳感器的示數，拉動白紙的過程中讀出拉力傳感器的示數。
②把金屬塊側放在質量不計的白紙上，讀出壓力傳感器的示數，拉動白紙的過程中讀出拉力傳感器的示數。
③把金屬塊豎放在質量不計的白紙上，讀出壓力傳感器示數，拉動白紙的過程中讀出拉力傳感器的示數。
實驗相關數據見如表所示：
實驗序號
壓力傳感器示數F1/N
接觸面面積S/cm2
拉力傳感器示數F2/N
①
20
150
8
②
20
75
8
③
20
50
8
(1)分析表中數據，你可得出的結論是：在壓力和接觸面粗糙程度不變時，滑動摩擦力大小與接觸面積大小無關。
(2)為了驗證猜想二，現提供水、沙子、氫氣充氣機(氫氣球可充氣)等器材。請你任選上述器材，參照圖乙或圖丙裝置(任選其中一個)設計實驗方案。
導學號：60306043
【解析】　(1)金屬塊在水平方向上受到的滑動摩擦力與拉力傳感器對其的拉力為平衡力，大小相等，縱向分析表中數據，在壓力和接觸面粗糙程度不變時，滑動摩擦力大小與接觸面積大小無關。(2)選用的器材：沙子、氫氣充氣機(氫氣球可充氣)。研究摩擦力的大小可能與重力大小有關，要控制壓力與接觸面粗糙程度相同，只改變重力大小，故①在圖丙中，在金屬盒中裝入適量的沙子，記下壓力傳感器的示數F壓，拉動白紙的過程中讀出拉力傳感器的示數F拉1；②在金屬盒中增加沙子的質量，并用氫氣充氣機往氫氣球內充氣，直到記下壓力傳感器的示數F壓不變，拉動白紙的過程中讀出拉力傳感器的示數F拉2；③重復②再做兩次實驗。
9．如圖所示并聯電路中，R0不變，Rx增大時，電路的總電阻R會增大(填“增大”“減小”或“不變”)。
(第9題)
現有如下器材：符合實驗要求的電源，已調零的電流表和電壓表各一個，開關一個，阻值已知且不同的四個定值電阻R1、R2、R3和R4，導線若干。請設計一個實驗來驗證上述結論。要求：
(1)畫出實驗的電路圖。
(2)寫出實驗的步驟并設計記錄數據的表格。
【解析】　因為R0、Rx并聯，所以并聯電路總電阻R并＝＝＝，當R0不變，Rx增大時，減小，則R并增大。(1)電阻R1與其他電阻并聯，電流表測干路電流，電壓表測電阻兩端的電壓，如解圖所示。
(第9題解)
(2)實驗步驟：①斷開開關S，用調節好的電流表、電壓表按圖連接電路。將電阻R1與R2并聯接入電路，閉合開關S，記下電流表、電壓表的示數I1、U1，記錄在表格中；②斷開開關S，將電阻R1與R3并聯接入電路，閉合開關S，記下電流表、電壓表的示數I2、U2，記錄在表格中；③斷開開關S，將電阻R1與R4并聯接入電路，閉合開關S，記下電流表、電壓表的示數I3、U3，記錄在表格中；④由歐姆定律，利用公式R＝，計算出每次并聯電路總電阻R并，記錄在表格中。根據記錄的數據設計表格，如表所示：
實驗序號
1
2
3
R1/Ω
并聯的電阻R/Ω
電壓U/V
電流I/A
R并/Ω
10．在二氧化錳催化過氧化氫分解的實驗中，為了進一步探究二氧化錳的用量對過氧化氫分解速率的影響，小明用如圖所示的裝置以及實驗室提供的實驗所需藥品和器材進行實驗。老師對實驗的建議：①每組實驗可取100 mL 20%過氧化氫溶液，二氧化錳質量不宜超過2 g；②實驗應設計4組。
(第10題)
(1)結合老師的建議，寫出實驗步驟①之后的其他步驟。
①檢查裝置的氣密性；……
(2)實驗時，長頸漏斗下端管口應在液面以下，其目的是防止產生的氣體從長頸漏斗中逸出。
導學號：16786034
【解析】　(1)答題要點：a.四組實驗的設計；b.變量的控制；c.觀測對象的選擇；d.數據記錄與分析。示例：②取0.5 g二氧化錳加入錐形瓶中，連接好裝置；③向長頸漏斗中加入10 mL 20%的過氧化氫溶液，用秒表記錄量筒收集一定體積液體的時間；④換用三個相同的錐形瓶，各加入10 mL 20%的過氧化氫溶液，分別與1 g、1.5 g、2 g二氧化錳均勻混合，用相同裝置重復步驟②③；⑤比較實驗記錄的四次時間大小，判斷過氧化氫的分解速率與二氧化錳用量的關系。
11．(2018·天津)某校同學參加社會實踐活動時，在山上發現一塊很大的巖石，他們想測出這塊巖石的密度。幾位同學隨身攜帶的工具和器材有：電子天平(附說明書)、購物用的彈簧測力計、卷尺、喝水用的茶缸、鐵錘、細線和一瓶飲用水(已知水的密度為ρ0)請你從中選用部分工具和器材，幫他們設計一種精確測量巖石密度的實驗方案。
(第11題)
要求：
(1)寫出主要的實驗步驟。
(2)寫出巖石密度的數學表達式。(用已知量和測量量表示)
導學號：60306044
【解析】　(1)測物體密度所依據的實驗原理是ρ＝，所以要測出巖石的密度，就需要知道巖石的質量和巖石的體積，故設計實驗步驟如下：①用鐵錘敲擊巖石，取下適當體積的小巖石塊；②用電子天平稱出小巖石塊的質量，記為m0；③在茶缸中倒入適量水，稱出茶缸和水的總質量，記為m1；④用細線系好小巖石塊，提著細線的一端，將小巖石塊浸沒在水中保持靜止(小巖石塊不與茶缸接觸)，讀出此時天平的示數，記為m2。(2)小巖石塊浸沒在水中，V＝V排，排開水的質量m排＝m2－m1，則其排開水的重力為G排＝(m2－m1)g，根據阿基米德原理可知，F浮＝G排＝(m2－m1)g，又因為F浮＝ρ水gV排＝ρ0gV，故V＝＝，所以巖石密度的表達式為ρ＝＝＝ρ0。(答案不唯一)
12．小明對大白菜在秋冬季節霜凍后吃起來有點甜的現象比較好奇，查閱獲取資料如下：
資料1：綠色植物通過光合作用制造的有機物主要以淀粉的方式存在，淀粉是不甜的。
資料2：科學研究表明，在冬季，一些蔬菜的植株體內會產生葡萄糖，溶于水后使細胞液中糖分增加、細胞液的凝固點降低，這樣細胞液就不容易結冰，植株就不容易被破壞。
資料3：葡萄糖溶液與新制的氫氧化銅在加熱的條件下，可生成磚紅色沉淀，而淀粉不反應，據此可以檢驗葡萄糖的存在。
(1)分析資料1和2可知，冬天時一些蔬菜變甜，是這些植物對低溫環境的一種適應。
(2)根據資料分析小明提出了探究的問題：低溫下大白菜能將其植株內的淀粉轉化為葡萄糖嗎？他利用碘液(檢驗淀粉存在)、新制的氫氧化銅、酒精燈、研缽若干、燒杯(編號1～4)、試管若干、冰箱(冷藏室溫度4 ℃左右，冷凍室溫度－10 ℃左右)等器材，在常溫下(20 ℃左右)利用新鮮的大白菜為原料，進行了實驗探究。請將實驗步驟補充完整。
①在大白菜基部切取一段葉片，置于研缽中研磨直至出現汁液，將等量汁液分別移入1號、2號兩個燒杯中；②在1號燒杯中加入碘液，發現變藍色；③在小試管中加2毫升質量分數為0.1%的氫氧化鈉溶液，再滴加4至5滴質量分數為0.05%的硫酸銅溶液，有藍色沉淀生成；④把小試管中的物質倒入2號燒杯，加熱至沸騰并攪拌，發現藍色沉淀逐漸消失并出現磚紅色沉淀。
重復實驗。記錄現象并得出初步結論。
導學號：55516024
【解析】　(1)“分析資料1和2可知，冬天時一些蔬菜變甜”，使“細胞液中糖分增加，細胞液的凝固點降低，這樣細胞液就不容易結冰，植株就不容易被凍壞”。因此是這些植物對低溫環境的一種適應。
13．小徐在做了“綠葉在光下制造淀粉”的實驗后，還想對光合作用的原料和產物進行進一步的探究。他設計了如圖所示的裝置進行實驗。
(第13題)
(1)實驗中采用同種植物的目的是保證實驗條件盡量相同。
(2)為了達到實驗目的，需將該裝置放在光照環境中。
(3)實驗結束時發現裝置A中植物質量明顯增加，原因是酵母菌進行有氧呼吸產生植物光合作用所需的CO2，植物進行光合作用產生有機物，重量增加。
(4)若還想證明光合作用需要水，請選擇合適的材料設計實驗，并簡述實驗思路。
【解析】　(1)實驗中采用同種植物的目的是保證變量唯一。(2)植物進行光合作用的條件是光，所以為了達到實驗目的，需將該裝置放在有光的環境中。(3)酵母菌在有氧的條件下進行有氧呼吸產生二氧化碳，為A裝置中的植物進行光合作用提供原料，所以A裝置的植物通過光合作用制造有機物，質量明顯增加。而乳酸菌屬于厭氧菌，在有氧的條件下不能進行呼吸作用。
(4)若某植株的一葉片的主葉脈被切斷，如解圖所示，在陽光下照射4 h，經脫色并用碘液處理，A處呈棕褐色，B處呈藍色。甲葉把主葉脈切斷，由于葉脈中有輸導組織導管和篩管，這樣甲葉的A處就得不到從根運輸來的水分了，因此在甲葉的A、B兩處就形成以水分為唯一變量的對照實驗組，實驗的結果是B處變藍，而A處不變藍，說明B處的葉片進行了光合作用制造了淀粉，而A處不能進行光合作用，此實驗證明植物進行光合作用需要水分。
(第13題解)
14．小金要測量一個定值電阻R的大小，但他只有一個電壓表、一個電源和一個阻值已知的定值電阻R0，開關和導線若干。請你利用這些器材幫幫他設計測量定值電阻的實驗方案。
(1)畫出實驗電路圖。
(2)寫出實驗步驟及需要測量的物理量(用相應的符號表示)。
(3)寫出計算待測電阻R的表達式。
【解析】　(1)由分析可知，先將電源、阻值已知的定值電阻R0、待測電阻R和一個開關串聯起來，然后將電壓表并聯在R0兩端，再將電壓表并聯在R兩端，如解圖所示。(2)實驗步驟及需要測量的物理量：①按電路圖連接實物電路；②將電壓表并聯在R0兩端，閉合開關，測出R0兩端的電壓，記為U0；③再將電壓表并聯在R兩端，測出R兩端的電壓，記為UR。(3)因為串聯電路電流相等，所以＝，整理后得：R＝×R0。
(第14題解)

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