高中物理DIS實(shí)驗(yàn)誤差的教學(xué)與研究初探

徐軍

(川沙中學(xué) 上海 201299)

《上海市中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出,物理課程必須與信息技術(shù)整合，必須構(gòu)筑信息技術(shù)平臺(tái)，并建立數(shù)字化信息系統(tǒng)(Digital Information System，簡稱DIS)[1].

DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計(jì)算機(jī)”.傳感器收集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器處理后，傳到計(jì)算機(jī)，再由教學(xué)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析.這樣，就在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合.

1 問題的提出

高中物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有很多都是定量實(shí)驗(yàn).需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證或推導(dǎo)出物理規(guī)律.因此，實(shí)驗(yàn)誤差分析就成了其中最為重要的一環(huán).在以前的實(shí)驗(yàn)誤差教學(xué)中，經(jīng)常出現(xiàn)以下一些問題.

(1)實(shí)驗(yàn)精度不夠.由此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也就與實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果偏離較遠(yuǎn).而對于這類實(shí)驗(yàn)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(jīng)常說，在誤差允許的范圍內(nèi)，理論上是可以證明該實(shí)驗(yàn)結(jié)論是正確的.但這樣做就會(huì)給學(xué)生留下實(shí)驗(yàn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)、缺乏科學(xué)性的感覺.因此，這樣的實(shí)驗(yàn)就無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，無法培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力，更談不上創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集和處理困難.由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，收集很難，處理也較繁雜，學(xué)生沒辦法在一節(jié)課中完成，其直接后果就是影響上課的進(jìn)度.

所以，在實(shí)驗(yàn)誤差教學(xué)這方面，會(huì)出現(xiàn)理論偏多，實(shí)踐較少的現(xiàn)狀，很不利于我們培養(yǎng)國家和社會(huì)需要的人才.

現(xiàn)在，高中物理新教材中引入DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理都進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，使實(shí)驗(yàn)的精度和速度都有極大的提高和提升.這就為我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了極大的方便，特別是對在實(shí)驗(yàn)中存在的誤差進(jìn)行分析和研究，提供了極大的便利.這樣既可提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，又能激發(fā)學(xué)生的探究熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的能力.

2 實(shí)驗(yàn)誤差的教學(xué)與研究

任何實(shí)驗(yàn)都存在誤差.誤差并不可怕，關(guān)鍵是在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，要引起學(xué)生的重視，并要學(xué)會(huì)正確分析實(shí)驗(yàn)誤差的來源，以及如何減小實(shí)驗(yàn)誤差.在實(shí)驗(yàn)誤差的教學(xué)與研究中，我們要讓學(xué)生通過其親身體驗(yàn)，學(xué)會(huì)質(zhì)疑，敢于挑戰(zhàn)，從而激發(fā)創(chuàng)新的潛能，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究精神.

2.1 演示實(shí)驗(yàn)

DIS演示實(shí)驗(yàn)簡單快速，現(xiàn)象多以圖表或圖像的形式呈現(xiàn)，既形象直觀，又能提高實(shí)驗(yàn)的實(shí)效性和課堂效率.

案例1:DIS測定瞬時(shí)速度

(1)實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

圖1

(2)誤差分析與教學(xué)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 DIS測定瞬時(shí)速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)原理可知，小車通過光電門的速度，應(yīng)為擋光片的寬度除以擋光的時(shí)間所得.

實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)得到的速度為平均速度，只是把它近似成瞬時(shí)速度.所以，若減小擋板的寬度，就可以減小實(shí)驗(yàn)誤差.這樣測出的速度就趨近于瞬時(shí)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(yùn)動(dòng)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(dāng)小車勻加速經(jīng)過光電門時(shí)，測得兩擋光片先后經(jīng)過的時(shí)間Δt1和Δt2，則小車加速度a=______.

(2)(多選題)為減小實(shí)驗(yàn)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(xué)生實(shí)驗(yàn)

學(xué)生實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分.它是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ囵B(yǎng)學(xué)生良好科學(xué)習(xí)慣的重要途徑.DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供了極大的方便.

2.2．1 利用實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行教學(xué)

案例2:研究在溫度不變的情況下，一定質(zhì)量氣體的壓強(qiáng)與體積的關(guān)系

(1)實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

圖4

(2)誤差分析與教學(xué)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖像如圖5,6所示.

圖5 一定質(zhì)量氣體的p-V關(guān)系

圖6 一定質(zhì)量氣體的p-關(guān)系

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

對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行仔細(xì)研究后，發(fā)現(xiàn)連接數(shù)據(jù)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(xiàn)截距.

由pV=C可知

p(V注+V連)=C

變形可得

圖7 一定質(zhì)量氣體的V-關(guān)系

問題2：做該實(shí)驗(yàn)時(shí)，能否消除連管的影響呢？

利用補(bǔ)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(shù)就可以了.

【例2】測定不規(guī)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(shí)驗(yàn)裝置安裝存在的誤差進(jìn)行教學(xué)

案例3：研究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

(1)實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

圖9

(2)誤差分析與教學(xué)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖像如圖10,11所示.

圖10 a-F關(guān)系

圖11 a-關(guān)系

該實(shí)驗(yàn)若用傳統(tǒng)方法做，數(shù)據(jù)收集和處理就很復(fù)雜，誤差也較大.而用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，則簡單方便，效率明顯提高，可以節(jié)省更多的精力去進(jìn)行誤差的分析與研究.

圖12 圖13

問題1：實(shí)驗(yàn)中存在摩擦阻力，如何消除影響？

可以調(diào)整導(dǎo)軌的傾角，利用小車的重力來消除影響.根據(jù)牛頓第二定律，可知

F+mgsinθ-f=ma

即

實(shí)驗(yàn)中，若將導(dǎo)軌后端適當(dāng)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(shí)驗(yàn)圖像就將出現(xiàn)如圖12和圖13中圖線①所示的情況.如果對摩擦力未加補(bǔ)償或補(bǔ)償不夠(導(dǎo)軌后端墊得不夠高)，實(shí)驗(yàn)圖像將出現(xiàn)如圖線③所示的情況.如果補(bǔ)償過分(導(dǎo)軌后端墊得過高)，實(shí)驗(yàn)圖像將出現(xiàn)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(jù)牛頓第二定律，由于小車、鉤碼都在做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，以小車、鉤碼為研究對象，進(jìn)行受力分析，并列出動(dòng)力學(xué)方程.

對小車

F=Ma

(1)

對鉤碼

mg-F=ma

(2)

聯(lián)立式(1)、(2)得

圖14

可知，只有當(dāng)m?M時(shí)，F(xiàn)≈mg.即只有當(dāng)鉤碼的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M時(shí)，小車所受的拉力，才可認(rèn)為等于桶和砝碼所受的重力.如果實(shí)驗(yàn)中沒有注意這個(gè)條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)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(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī))研究加速度與力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置.

1)在該實(shí)驗(yàn)中必須采用控制變量法，應(yīng)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(shù)量，多次重復(fù)測量.在某次實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出a-F關(guān)系圖線(圖16).

a.分析此圖線的OA段可得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dǎo)軌保持了水平狀態(tài)

C.所掛鉤碼的總質(zhì)量太大

D.所用小車的質(zhì)量太大

參考答案：

1)小車的總質(zhì)量;小車所受外力.

2)

a.在質(zhì)量不變的條件下，加速度與外力成正比;

b.選項(xiàng)C.

3 結(jié)束語

新課程引入DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，已經(jīng)成為物理教學(xué)新的亮點(diǎn).它既為物理教學(xué)提供了新的平臺(tái)，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化和現(xiàn)代化，又提高了教學(xué)的實(shí)效性.在今后的教學(xué)中，我們應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)這方面的探索與研究，以提高高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性.

參考文獻(xiàn)

1 編寫組.上海市中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀.上海：上海教育出版社，2006.3