高中物理DIS實驗誤差的教學與研究初探

徐軍

(川沙中學 上海 201299)

《上海市中學物理課程標準》指出,物理課程必須與信息技術整合，必須構筑信息技術平臺，并建立數字化信息系統(Digital Information System，簡稱DIS)[1].

DIS數字化信息系統的基本結構為“傳感器+數據采集器+計算機”.傳感器收集的數據通過數據采集器處理后，傳到計算機，再由教學軟件進行實時處理和分析.這樣，就在真實實驗的基礎上，實現了信息技術與物理實驗教學的整合.

1 問題的提出

高中物理的實驗教學，有很多都是定量實驗.需要通過實驗數據來驗證或推導出物理規律.因此，實驗誤差分析就成了其中最為重要的一環.在以前的實驗誤差教學中，經常出現以下一些問題.

(1)實驗精度不夠.由此，實驗結果也就與實驗預期效果偏離較遠.而對于這類實驗誤差，教師往往處理得比較簡單——用理論講解的方式來解決.經常說，在誤差允許的范圍內，理論上是可以證明該實驗結論是正確的.但這樣做就會給學生留下實驗不夠嚴謹、缺乏科學性的感覺.因此，這樣的實驗就無法激發學生的學習興趣，無法培養學生的質疑能力，更談不上創新能力的培養.

(2)實驗數據收集和處理困難.由于實驗數據較多，收集很難，處理也較繁雜，學生沒辦法在一節課中完成，其直接后果就是影響上課的進度.

所以，在實驗誤差教學這方面，會出現理論偏多，實踐較少的現狀，很不利于我們培養國家和社會需要的人才.

現在，高中物理新教材中引入DIS實驗系統，對實驗數據的采集和處理都進行了改進和優化，使實驗的精度和速度都有極大的提高和提升.這就為我們的實驗教學提供了極大的方便，特別是對在實驗中存在的誤差進行分析和研究，提供了極大的便利.這樣既可提高實驗教學效果，又能激發學生的探究熱情，培養了學生的能力.

2 實驗誤差的教學與研究

任何實驗都存在誤差.誤差并不可怕，關鍵是在平時的實驗教學過程中，要引起學生的重視，并要學會正確分析實驗誤差的來源，以及如何減小實驗誤差.在實驗誤差的教學與研究中，我們要讓學生通過其親身體驗，學會質疑，敢于挑戰，從而激發創新的潛能，養成嚴謹的科學探究精神.

2.1 演示實驗

DIS演示實驗簡單快速，現象多以圖表或圖像的形式呈現，既形象直觀，又能提高實驗的實效性和課堂效率.

案例1:DIS測定瞬時速度

(1)實驗裝置原理圖

圖1

(2)誤差分析與教學

實驗數據如表1所示.

表1 DIS測定瞬時速度實驗數據

由實驗原理可知，小車通過光電門的速度，應為擋光片的寬度除以擋光的時間所得.

實際上，實驗得到的速度為平均速度，只是把它近似成瞬時速度.所以，若減小擋板的寬度，就可以減小實驗誤差.這樣測出的速度就趨近于瞬時速度.

【例1】(2010年高考上海卷)如圖2所示，為測量做勻加速直線運動小車的加速度，將寬度均為b的擋光片A，B固定在小車上，測得二者間距為d.

圖2

(1)當小車勻加速經過光電門時，測得兩擋光片先后經過的時間Δt1和Δt2，則小車加速度a=______.

(2)(多選題)為減小實驗誤差，可采取的方法是

A.增大兩擋光片寬度b

B.減小兩擋光片寬度b

C.增大兩擋光片間距d

D.減小兩擋光片間距d

2.2 學生實驗

學生實驗是中學物理實驗的重要組成部分.它是培養學生實驗能力，培養學生良好科學習慣的重要途徑.DIS實驗系統的應用，為學生實驗提供了極大的方便.

2.2．1 利用實驗的系統誤差進行教學

案例2:研究在溫度不變的情況下，一定質量氣體的壓強與體積的關系

(1)實驗裝置原理圖

圖4

(2)誤差分析與教學

實驗數據及圖像如圖5,6所示.

圖5 一定質量氣體的p-V關系

圖6 一定質量氣體的p-關系

從p-V圖(圖5)可知，p和V的關系為曲線關系，但很難由此判定確切的定量關系.那么，我們是否可以將這一曲線轉換成直線呢？可以區分直線和曲線，卻無法確定曲線的定量關系，但是我們可以確定直線的定量關系.

對實驗器材進行仔細研究后，發現連接數據采集器和注射器之間，有一段連管的氣體沒有考慮，我們只讀了注射器中的氣體體積，所以圖中出現截距.

由pV=C可知

p(V注+V連)=C

變形可得

圖7 一定質量氣體的V-關系

問題2：做該實驗時，能否消除連管的影響呢？

利用補償法，在注射器活塞上貼一塊和連管相同體積的橡皮泥，以抵消連管體積的影響，這樣，只需正常讀數就可以了.

【例2】測定不規則小物體的體積.

圖8

由p(V注-V物)=C，將此式變形可得

其中，圖線在縱軸截距為待測小物體的體積.

2.2．2 利用實驗裝置安裝存在的誤差進行教學

案例3：研究加速度與力、質量的關系

(1)實驗裝置原理圖

圖9

(2)誤差分析與教學

實驗數據及圖像如圖10,11所示.

圖10 a-F關系

圖11 a-關系

該實驗若用傳統方法做，數據收集和處理就很復雜，誤差也較大.而用DIS實驗系統，則簡單方便，效率明顯提高，可以節省更多的精力去進行誤差的分析與研究.

圖12 圖13

問題1：實驗中存在摩擦阻力，如何消除影響？

可以調整導軌的傾角，利用小車的重力來消除影響.根據牛頓第二定律，可知

F+mgsinθ-f=ma

即

實驗中，若將導軌后端適當墊高，使小車重力沿斜面的分力與小車和斜面之間的摩擦力相抵消，該實驗圖像就將出現如圖12和圖13中圖線①所示的情況.如果對摩擦力未加補償或補償不夠(導軌后端墊得不夠高)，實驗圖像將出現如圖線③所示的情況.如果補償過分(導軌后端墊得過高)，實驗圖像將出現如圖線②所示的情況.

問題2：繩拉小車的力等于鉤碼重力嗎？

用鉤碼的總重力代替小車受到的拉力.根據牛頓第二定律，由于小車、鉤碼都在做勻加速直線運動，以小車、鉤碼為研究對象，進行受力分析，并列出動力學方程.

對小車

F=Ma

(1)

對鉤碼

mg-F=ma

(2)

聯立式(1)、(2)得

圖14

可知，只有當m?M時，F≈mg.即只有當鉤碼的質量m遠小于小車的質量M時，小車所受的拉力，才可認為等于桶和砝碼所受的重力.如果實驗中沒有注意這個條件，實驗結果將會出現的如圖14所示的情況.

【例3】(2009年高考上海物理卷)如圖15為“用DIS(位移傳感器、數據采集器、計算機)研究加速度與力的關系”的實驗裝置.

1)在該實驗中必須采用控制變量法，應保持______不變，用鉤碼所受的重力作為______，用DIS測小車的加速度.

圖16

2)改變所掛鉤碼的數量，多次重復測量.在某次實驗中根據測得的多組數據可畫出a-F關系圖線(圖16).

a.分析此圖線的OA段可得出的實驗結論是______.

b.(單選題)此圖線的AB段明顯偏離直線，造成此誤差的主要原因是

A.小車與軌道之間存在摩擦

B.導軌保持了水平狀態

C.所掛鉤碼的總質量太大

D.所用小車的質量太大

參考答案：

1)小車的總質量;小車所受外力.

2)

a.在質量不變的條件下，加速度與外力成正比;

b.選項C.

3 結束語

新課程引入DIS實驗系統，已經成為物理教學新的亮點.它既為物理教學提供了新的平臺，促進了實驗教學的信息化和現代化，又提高了教學的實效性.在今后的教學中，我們應該繼續加強這方面的探索與研究，以提高高中物理實驗教學的有效性.

參考文獻

1 編寫組.上海市中學物理課程標準解讀.上海：上海教育出版社，2006.3