正如诺贝尔奖获得者、物理学家杨振宁博士所说：“由于传统的习惯，亚洲的学生，特别是中国的学生，喜欢复杂的推演的计算。考试成绩也许会很好。但这对自己，对科学的发展并不利。因为这违反了物理学的规律，物理本身是现象而不是推演……在多次实践中，就可能产生新的直觉的东西——经验。而这种直觉往往是科学研究工作中的重要环节。”
设计性实验的开设，就是为了使物理教学更好地遵循物理学的规律，把重点放在物理现象而不是某种繁复的推演。使物理实验更具有开放性、探索性、科学性，从而也提高了物理教学的艺术性。
1．设计性实验的一般要求
（1）开放性。教师可提供一个研究课题，并提供多种实验思路和初步方案，提供一般的实验条件，让学生在一个开放的环境中，去研究和探索。
（2）自主性。实验的方案可以自主选择，也可以完全不依照教师提供的方案，独自创立新的实验方案。实验方案要求学生自主拟定实验步骤，自行选用实验器材，自己摸索操作方法，自行探求实验结论，自己撰写实验研究报告……总之，充分体现学生的自主独创性。
（3）多样性。由于实验思路是开放的，实验方案是自选的，因而研究成果必然是多样的。无论研究方案如何，教师应关注过程指导，使学生注意研究过程的科学性。对于有独创性的思路与方法，应及时予以肯定。但应注意，这种“关注”和“肯定”，绝不是包办代替。
2．设计性实验举例
【例一】测定重力加速度。
【设计条件】自选。
【设计要求】要求不重复已做过的测重力加速度的方法，自行设计一种可以测定重力加速度的方法。要求写出实验原理，数据处理方法，操作步骤及实验结论等。
【参考资料】
（1）用单摆及图线法测重力加速度。
提示我们已学过用单摆测重力加速度g的方法，是否可以设计另一种处理数据的方法：
由单摆周期公式：T=2πlg。
可得：l=gT24π2
试以摆长l为横轴，以周期的平方值T2为纵轴，在毫米方格纸上作出T2-l图线，则其斜率为：
k=T22-T21l1-l2
因k=g4π2，从而可求出g值。
为减小实验误差，建议在实验操作中注意：
a．θ角必须很小。原因请讨论。
b.悬线质量必须很小，且不发生弹性伸缩。为什么？
c．小球质量必须足够大，而其体积必须很小。如质量太小，则球在摆动过程中导致的不规则运动的影响就要增大。而且我们研究时，把摆球当作质点，并没有考虑由于球体积构成的空气浮力和小球在摆动过程中自身的转动。
（2）用符合法测单摆周期，求重力加速度g值。
在特定的地点，重力加速度是一个定值。摆的周期仅取决于摆长。如调节摆长，使摆的周期恰为2．00s，这个摆叫做秒摆。秒摆的校准可用秒表，测其100个全振动所需时间t，使周期满足T=t100=200（s）。
当有两个摆，从同时、同方向地通过某一位置（如其平衡位置）时起，到下一次再同时、同方向地通过该位置时止的这段时间，称做“符合时间”。
提示用符合法测单摆周期的方法是：
将已校准的秒摆A和待测周期的摆B如右图所示悬挂，使它们分别在两个相互平行的平面内摆动。因两摆的周期是不同的，故摆动的位置也是不相符的。仔细观察，当它们同时、同方向通过平衡位置时，即为“初次符合”时刻。从这时刻开始，记下秒摆A的摆动次数，直到“再次符合”为止。这段时间，就叫“符合时间”。在这段时间内A的摆动次数为n，A的摆次周期为T0，则有两种可能：
a．若待测的B摆的周期比秒摆A的周期略长，即此时B摆的摆长比A摆略长些，放手开始摆动后B摆将落后于A摆。两次符合之间的符合时间内，A摆摆动n次，则B摆摆动（n-1）次，即：
（n-1）T=nT0
所以T=nT0（n-1）
反之，若待测摆B的摆长比A摆略短，摆动中，B摆应超前A摆。在符合时间内，A摆动n次，B将摆动（n+1）次，即：
（n+1）T=nT0
所以T=nT0（n＋1）
由此可见，我们只要在实验中测出在符合时间内，秒摆A的摆动次数n，单摆B的周期就可以计算得到。然后再测出摆长：l=d-r，d为摆线和球的总长，r为球半径。代入g=4π2lT2等，求出g值。
并分析。如何讨论其百分误差？
（3）用电磁打点计时器测重力加速度g值。
装置结构如下图所示。请研究如何把打点计时器架稳？如何使重锤在带着纸带下落过程中，所受的摩擦阻力尽可能地小？为什么要这样做？
由△s=s2－s1=gT2，在两个连续相等的时间T里，若位移值分别为s1和s2则求得g=△sT2。
可重复多测几次，求取重力加速度的平均值。也可自行设计用图线法求g值。
（4）用频闪摄影测重力加速度g值。
本实验要具备一台频闪仪，一架照相机，电磁铁，电池组，黑暗的背景，米尺，导线等。
先自行设计一个简单电路，即当按动照相机快门的时候，电磁铁能释放小钢球。
在小球自由下落的轨迹旁放置一把米尺，以测量钢球自由下落时的位移。
适当选取照相机快门时间，应使其大于小球下落时间。自行冲洗底片，再加以放大，供测算。
频闪时间可由频闪仪控制并读出，在各连续的相等的时间内发生的位移，可直接从放大的照片上测出。由于小球的像在最初一段时间里，影像比较密集，测量误差会较大，故我们可以从某个稍大些的位置间隔开始测量。把时间间隔编上号，测出各个间隔的位移值s，算出对应的平均速度v平均＝s△t，求出平均速度的改变量△v平均，再由g=△v平均△t求出对应的g值。算出自由落体加速度的平均值g平均。
数据处理表格自行设计，并求出g的百分误差。
【例二】测绘小灯泡的伏安特性曲线。
【设计条件】额定电压6．3V、额定功率约1W的小灯泡一只，电压表（0～3～15V），电流表（0～200mA），电源，滑动变阻器，开关等，可依据设计要求自选。
【设计要求】通过实验，测出小灯泡在额定电压时的灯丝电阻，并描绘出小灯泡从0～6．3v时的伏安特性曲线。
【参考资料】
（1）非线性元件。
非线性元件是指那些电阻值受外界环境或实验条件影响，呈非线性变化的某些器件，如小灯泡的钨丝、二极管、光电二极管等。
（2）非线性电阻的阻值。
非线性电阻的阻值常用动态电阻来描述，R=△U△I。动态电阻是变量，但可以依据伏安特性曲线上某点的斜率来求得。
（3）伏安特性曲线。
通过元件的电流随外加电压的变化有一定的改变规律，这种规律可用伏安特性曲线来描写。由曲线可分析该元件的导电特性。
非线性电阻的伏安特性规律，总是与一些特定的物理过程相联系的。如由于电流的热效应，使灯丝的温度逐渐上升，导致金属内部原子、分子的热运动加剧，从而引起电阻参数的变化。
（4）测绘伏安特性曲线的方法。
用伏安法测电阻，在物理课中已学过。这种方法，无论对线性电阻或非线性电阻都是适用的。但在实验中，应考虑到电表的内阻、量程和灵敏度等，对测量结果的影响，所构成的系统误差。故在进行线路设计时，应具体考虑电表的内接或外接，以减小误差。
电表的量程选择要适当，既要使实际电流的最大值不超过电表的量程，又要较清楚地分辨刻度值使读数准确。把测得的正向电压与电流，以及反向电压与电流，均填入自行设计的表格，读数可取10组左右。然后在I-U图线上描绘出小灯泡的伏安特性曲线。
【例三】设计和探究“黑盒子”。
【设计条件】黑盒子面板上有四个接线柱，标示编号。盒内一般装三个元件，用何种元件及如何连接均可自行设计。规定每两个接线柱间可以没有元件，或只有一个元件，不得有多个元件并联。接线柱间可以短路，也可以断路。提供的元件可以有电池、电阻、电解电容、晶体二极管、电感等。实验中可用万用表、信号发生器等测试仪器。
【设计要求】两位同学一组，先由一位同学设计黑盒子内部元件结构。装好后，由另一位同学用仪表等进行分析判断，并写出判断的理由与结果，画出内部元件结构图。然后两人交换进行。
设计实验表格，包含有内部元件结构、判断的理由、测试方法等项。
【参考资料】
（1）黑盒子的作用。
黑盒子可以用来训练对电路结构的判别能力，提高对电路元器件的性质、功能的了艉和对电路的分析能力，熟悉多种仪器、仪表的使用方法，且可以反复训练，是一种可自行设计的带有探索性的训练器材。
（2）判断的程序。
a．首先要判断有无电池及电池的正负极位置。不能在没有确认有无电池及其正负极位置的情况下，而盲目地用万用表欧姆挡去随意测试，很可能要损坏万用表。
b．由于黑盒子内的电池个数是未知的，故开始测量时，应先选用较高电压量程去测试，然后可以逐渐降低电压表量程的档次。当用最低量程去测量也无读数时，说明此两接线柱间无电池。
c．判断有无二极管。二极管的正、反向阻值相差很大，可以方便地判断出二极管的正负极。在测试中，如果表笔互换测试点，发现阻值差别很大，说明该两点间存在有二极管。
d．判断有无电容。如果用万用表欧姆挡（×100或×1k挡）去测试时，读不出阻值，但可见电容的充放电现象，即万用表指针先有一个偏转，迅即返回“∞”处，相当于断路时，可断定此两端间接有电容。也可以用信号发生器，接人交流电压作进一步测试确认。
e.判断有无电感元件。电感元件与电阻元件的差别在于同样加以交流电时，产生不同的结果：电阻元件的阻值与交流电频率无关，而电感元件的阻抗随交流电频率的变化而变化。我们可将信号发生器、万用表交流电流挡和待测两接线柱相连。若保持信号发生器输出电压不变，而改变其频率，观察万用表电流挡的读数是否随频率而变化。如随频率而变化，是电感。反之，为电阻。
【例四】测定凹透镜焦距。
【设计条件】现有光具座、凸透镜、待测凹透镜、光源、平面镜、光屏等。有关器材在探究中可自行设计组合。
【设计要求】写出自行设计的实验原理，画出设计的示意光路图，列出所用器材的组合使用的操作步骤，写出测凹透镜主焦距的实验报告。
【参考资料】
（1）用二次成像法测凹透镜的焦距。
在初中光学中，我们已学过凸透镜焦距的测量方法。如何测凹透镜的焦距，是个有待设计探索的新问题。由于凹透镜是发散透镜，它不可能使实物成实像，这也是设计的一个难点。是否可设想用一个凸透镜和这个待测的凹透镜组成一个光具组，光具组可能具有会聚光线的作用，因而有可能在屏上成像，而其像距成为可测。
具体操作过程可以自行摸索、设计。大体方法是：在物与屏之间放置凸透镜，移动屏，并使之在屏上获一清晰的像。记下像的位置，并固定凸透镜位置。如在屏与凸透镜间插入待测凹透镜（如下图所示），显然，这时屏上的像变得模糊不清，设法调整屏的位置。屏应向什么方向移动，才能获第二次清晰的成像？把这第二次成像的位置记下。如此可多次反复，记录多组数据。
设计好表格，将测得数据填入，再由成像公式算出凹透镜的焦距。在计算中，应注意到，第一次成像对凹透镜来说，是虚物，而第=次成像对凹透镜来说，是实像。计算中必须注意符号法贝Ⅱ。
在实验全过程中应确保几个光学元件的光轴均在同一直线上。
（2）也可以用平面镜法（自准法）测凹透镜焦距。
如下图所示设置器件。若凸透镜成像为D，即为凹透镜的虚物。当调节凹透镜位置时，若D处于凹透镜的焦平面上，就能使光线经凹透镜后形成一束平行光，若置一平面镜于凹透镜和D之间，将这束平行光反射回去，就能会聚于P处的光屏上，则此时D和凹透镜之间的距离即为所求。
（3）能否用一个凹面镜来辅助测凹透镜焦距？该如何设计？
以上实例中的设计性实验，都具有一定的探索性、开放性、拓展性。在教师指导时，要突出学生的自主性，充分发挥学生的创造性，放手让学生去尝试，提高学生“见物思理”的能力。
