力学实验改进设计实践_冯克诚毕诚主编.pdf

动手做实验丛书力学实验改进设计实践冯克诚毕 诚主编新疆青少年出版社图书在版编目（）数据力学实验改进设计实践冯克诚，毕诚主编 修订本 乌鲁木齐：新疆青少年出版社，（动手做实验丛书）力 冯毕 力学实验中学教学参考资料 中国版本图书馆 数据核字（）第 号动手做实验丛书 编委会主编冯克诚毕诚副主编彭方志王波波编秀王孚生刘敬尧冯克诚冯振飞肖乃明胡定南董英伟孙志英孙爱军李清乔李宝明方不俊龚国玉陈小丽尚斌迟为疆何光贺新书书书前言“动手能力的培养和提高”是当前中国教育全面变革的主旋律之一。江泽民总书记曾再三强调：“教育应以提高全体国民素质为宗旨，以培养学生创新精神和实践能力为重点。”实验作为一种手脑并用的实践活动，作为一种基础教育与生产劳动的重要结合点，对于培养学生的动手能力和创新精神，实为一个良好的切入点。因为：一、实验可激发学生学习的兴趣和热爱科学的情感。从而使学生把学习知识变成精神上的享受和需要。二、实验有利于学生个性的发展。由于学生实验在时间、内容、深度等方面有较大的“灵活性”，学生可以在一定程度上、范围内按自己的合理想法实验或比较，他们的某些能力能得到充分的发挥，好奇心可得到一定程度的满足。三、实验对学生智力发展和能力培养具有重要作用。在实验过程中学生要正确理解实验原理，熟练操作实验仪器，认真观察实验现象，深入分析实验结果。因此学生在实验中，观察能力、操作能力和思维能力都会逐渐提高。同时，学生在实验中要安装和调整实验仪器，设计实验方案，测量和记录数据，排除实验故障。在正确思维指导下，这些操作过程不仅可以训练学生的实验技能和技巧，而且也能使他们的创造能力得到发展。实验对培养创造性人才具有重要的作用。为了促进中学生从应试教育向素质教育的转变，提高其动手能力，我们组织近百位专家、学者和实验教师精心编撰了此书。书中引用了许多优秀教师的教学案例经验总结，在此谨致衷忱的谢意。本丛书包括 物理实验设计与创新 和 化学实验设计与创新 两大部分。每一部分又分为：教学改革指导、思维能力培养、操作方法运用、实验器材巧用、改进设计实践等五大篇。希望本套丛书能激发学生的学习兴致和创造力，使学生积极主动地参与实验，认真观察，细心思考，勇于探索。一句话，就是让学生自己动手去做实验，因为只有动手做，才会有收获！动手做实验丛书 编委会书书书总目录物理实验设计与创新物理实验教学改革指导物理实验中的思维能力培养物理实验操作方法运用物理实验器材巧用热学实验改进设计实践光学实验改进设计实践电学实验改进设计实践力学实验改进设计实践化学实验设计与创新化学实验教学改革指导化学实验中的思维能力培养化学实验操作方法运用化学实验器材巧用初级化学实验改进设计实践高级化学实验改进设计实践非金属实验改进设计实践金属实验改进设计实践?改进设计实践?目录仪器的读数数据处理实验中正确读数的有关问题（）误差计算对初中物理实验的指导（）力学实验的操作与实验改进设计长度的测量（）游标卡尺的读数（）力的合成与分解实验的操作与改进设计（）力的分解演示仪（）运用实验手段，探索力的合成（）力的平行四边形法则实验的改进（）测量滑动摩擦系数的八种方法（）土法制作长弹簧（）“微小形变”演示实验的放大设计（）?改进设计实践?弹簧秤的零点校正与修正（）“超重”与“失重”的实验演示（）用打点器测值的一种新方法（）运动学实验操作与改进设计测平均速度实验的改进（）检验打点器工作频率的八种方法（）自制研究运动学动力学的简易实验装置（）平抛运动演示实验（）向心力演示器（）匀速圆周运动投影演示实验的改进（）平抛、竖落演示试验的改进（）机械振动与机械波实验的操作与改进设计用示波器演示行进的横波（）水波干涉和衍射的实验（）两个声学实验的改进（）空气柱共鸣实验的改进（）简易声学小实验（）?改进设计实践?声音共鸣实验改进（）弹簧共振演示仪（）单摆振动实验的改进（）“单摆等时性”的演示方法改进（）质量、密度实验的操作与改进设计用氢气球测量空气密度（）实验测密度方法种种（）微量液体及其他物质的密度的测定方法（）空气有质量的简易演示方法（）物质密度测定的小实验（）测空气质量实验的改进（）动量与功能实验的操作与改进设计一个力学实验题的设计和解答（）改滑轮演示实验为探索性实验（）利用经验公式指导学生组装滑轮组（）重力作功跟路径无关的实验演示（）“碰撞中的动量守恒”实验的改进（）?改进设计实践?“反冲炮”的演示实验（）牛顿定律实验的操作与改进设计演示惯性定律的简单装置 气垫飞碟（）鸡蛋与惯性的演示实验（）对牛顿第二定律实验的改进（）“牛顿第二定律演示器”的改进（）验证牛顿第二定律实验的改进（）用比较法演示牛顿第二定律（）压力与压强实验的操作与改进设计在室内演示帕斯卡的实验（）演示潜水艇模型的改进（）简易压强计的制作及相关实验（）低重心平底玻璃管（）清洁水银的几种方法（）托里拆利实验原理的五种分析法（）“汽车重力发电”的原理和模拟实验（）演示大气压的实验（）?改进设计实践?利用大气压把水抽到高处的实验（）水能被吸到多高（）浮力与阿基米德定律实验的操作与改进设计“浮力”演示器（）物体沉浮实验的改进（）两个“浮力产生的原因”简易实验装置（）在空气中演示和验证阿基米德定律（）书书书?改进设计实践?仪器的读数数据处理?实验中正确读数的有关问题教学标准精神全日制中学物理教学标准规定，在物理实验中要求学生了解误差概念，同时指出：高中要求理解有效数字的意义，测量中能按有效数字的要求读数。根据标准的精神，近些年高考试题中反复出现关于测量仪器（工具）读数的试题，据了解这类题得分率不高。在教学中要贯彻标准精神，让学生在了解误差概念的基础上能够正确的读数，这是实验教学中必须注意的问题。?改进设计实践?目前存在的问题在教学及教研活动中常能听到学生（包括一些老师）说：“读数要读到最小分度的下一位。”这种说法是不科学的、是错误的。在一些教材及教学参考书中关于读数的问题常有这样的叙述：测量仪器的读数一般分为三种情况，一种是不做估读，例如游标卡尺、秒表；一种是仪器精密度较高，可按 或估读；第三种是仪器精密度不高，可按做估读。问题在于就中学实验中使用的仪器而言，哪些是精密度高的仪器，哪些是精密度不高的仪器很难划分，也很难向学生介绍。误差出现在哪一位是由仪器本身所决定的按照有效数字的概念，有效数字的最后一位是有误差的，因此读数规则是：读到误差位。哪一位数字出现误差是由测量仪器本身所决定的，例如目前中学物理实验室使用的 型、型安培表和伏特表，其准确度等级是 级，即在正常使用的条件下最大的绝对误差不超过满刻度的 。例如使用量程为 安的安培表，最大误差为 （），误差出现在安培的百分之一位上；使用量程为安时最大误差为 （），误差出现在安培的百分之一位上。又例如伏特表的两个量程为伏、伏，使用量程为伏时的最大误差为 （），误差?改进设计实践?出现在伏特的百分之一位上；使用量程为 伏时的最大误差为 （），误差出现在伏特的十分之一位上。例如实验室用的米尺最大绝对误差为 毫米，误差出现在毫米的十分之一位上。快速可行的确定误差位的方法在不向学生介绍仪器准确度等级的情况下，如何向学生介绍确定读数误差的方法呢？具分析和比较发现，对于中学物理实验中几乎所有的测量仪器（除天平、欧姆表外）都可用简单的方法定出误差位，给读数带来很大的方便。方法如下：第一步确定仪器的最小分度；第二步将最小分度除以，所得数字与测量仪器的最大误差在同一数量级，这样立刻可显示误差出现在哪一位。例如米尺，最小分度为毫米，除以，结果为 毫米，误差出现在毫米的十分之一位上。例如 分度的游标卡尺（游标的 个等分刻度总长为毫米），游标的读数值为 毫米，即可认为最小分度为 毫米，除以，结果为 毫米，即误差出现在毫米的百分之一位上。例如 分度的游标卡尺（游标的 个等分刻度总长为 毫米），游标的读数值为 毫米，即可认为最小分度为 毫米，除以，结果为 毫米，误差出现在毫米的百分之一位上。例如 等分的游标卡尺（游标的 个等分刻度总长为 毫米）游标的读数值为 毫米，即可认为最小分度为 毫米，除以，结果为 毫米，误差出现在毫米的百分之一位上。?改进设计实践?例如千分尺，最小刻度为 毫米，除以，结果为 毫米，误差出现在毫米的千分之一位上。例如 型安培表量程为 安的表盘如图所示。最小分度为 安，除以，结果为 安，误差出现在安培的百分之一位上。其他测量工具的误差这里不再赘述。图图定出误差位，读数读到误差位，这就是读数原则。不必再向学生介绍、估读的问题。仍以 型安培表为例，若指针指在图所示的位置。在 之间的百分之一位上数字仅有“”，而读数只能读到百分之一位上，因此读数应为 安，若指针指在如图所示的位置上，有的同学可能会认为这个读数比 安大些而比 安又小些，应读为 安，这种想法是不对的。因为此表的误差位出现在安培的百分之一位上，即在百分之一位上已经出现误差，因此可读为 安或 安均可，从而保证了读到误差位的原则。?改进设计实践?图要确保读数正确当然还需了解仪器、正确使用仪器、单位换算、读数的先后顺序等其他技术性问题，这里不做讨论。?误差计算对初中物理实验的指导误差计算对物理实验工作的指导作用是显而易见的。但是，如何将其用于指导初中物理实验教学，研究却较少。可以从下列四个方面来说明误差计算对初中物理实验教学工作的指导作用：评判学生的实验结果在每一次学生分组实验中，尽管所有的学生都是用相同的仪器、相同的方法、对同一物理量进行测量，但不同实验小组的实验结果往往会有较大的差异。面对这些不同的结果，教师怎样判断它们的可靠程度呢？解决这一问题的可靠途径是：教师事先根据学生所用仪器的规格、等级、待测量的大小、实验方案及表示实验结果的公式，通过误差计算和分析来确定实验结果的误差范围是多大，这样，面对学生的实验结果，教师就能很快地作出判断。若学生的实验结果不在?改进设计实践?误差允许的范围内，则说明学生在操作过程中或计算中出现过错误。教师可帮助学生找到错的原因，让学生重新正确地进行实验。例如，在“测定物质的密度”这一实验中，称物体质量用的托盘天平，设其称量为 克，感量为 克，根据直接测量的误差估计原则知道：测质量 的最大不确定量为 克。测物体体积用的量筒，设其最小分度值为毫升，则用它测体积的最大不确定量（测量一次）为 毫升。设被测物体为铝块，体积约为 厘米，质量约为 克，密度的表示公式为（），式中 为物体的质量，为量筒内水的体积，为待测物和水的总体积，密度的相对误差为：（）将上述数据代入（）式得：。根据计算知：学生的实验结果的值应当在 克厘米 克厘米之间，若学生的实验结果不在这个范围内，则说明学生在操作或计算过程中出现了错误，实验应重新进行。帮助选择正确的方案在有些初中物理实验中，为了能在相同的实验条件下，使实验结果的误差尽量地小，这就要求能合理地选择实验方案。要做到这一点，首先要对各种方案进行误差计算；然后再对计算结果进行分析比较，进而合理地选择实验方案。例如，初中物理中的“伏安法测电阻”这一实验，设 为电压表内阻，为电流表内阻、为待测电阻，?改进设计实践?这里就有一个实验方案选择的问题。内接法，原则如图所示，测量结果 。式中 为电压表的示数，为电流表的示数，该方案引起的相对误差为：（）外接法，原理如图所示，测量结果 （），该方案引起的相对误差为：（）图图由上面的分析知道：对同一待测电阻，用不同方案测量引起的误差不同。根据计算可知：当（）时，用两种方案所引起的误差相同。所以，在此实验中，若，两种方案可任选一种；若，选用内接法引起的误差较小；若，选用外接法引起的误差较小。指出实验改进的方向通过误差分析可找出实验误差的主要来源，以便采取措施达到减小误差的目的，一般的方法是：首先计算出各直接测量的误差对实?改进设计实践?验结果总误差影响的大小，若发现某一直接测量值的相对误差比其他几项都要大，则它就是实验误差的主要来源；其次是找出误差产生的原因，如仪器的精度偏低或是被测量过小不易测量等等；最后是通过合理地选择仪器，适当地加大被测量的值或改进测量方法，以达到减小实验误差的目的。例如：九年