从改进测量精度谈验证阿基米德原理实验
2020-01-14江勇
江勇
测量精度是指被测物理量的测量值与真实值的接近程度.它和测量误差是从两个不同角度说明同一概念的术语.测量误差越大,则测量精度就越低.验证阿基米德原理实验是上海市中考物理14个重点考核实验之一,也是14个重点考核实验中唯一一个验证性实验,学习水平属于B级,即理解级要求,要求学生知道实验目的;会依据实验方案选择实验器材;会实验操作;能记录实验现象及数据;能根据实验现象及数据验证阿基米德原理.在上教版九年级第一学期《学习活动卡》P.14验证阿基米德原理的实验步骤中通过弹簧测力计测量物块浸没在水中时所受到的浮力F浮,用量筒测量物块浸没在水中的体积V排,然后运用公式G排=ρ水gV排计算出G排.最后通过比较F浮与G排测量值大小,从而验证阿基米德原理的正确性.多年以来的实验教学实践中发现由于F浮与G排两者测量精度的不一致而导致测量值大小并不完全相等,每次在验证实验结论前老师们总要给学生解释在实验误差允许的范围内,可以验证阿基米德原理是正确的.每回都会看到部分学生闪烁着质疑的眼神,被动的接受着与测量结果有细微不一致的实验结论.因此有必要在测量精度方面对该实验方案进行改进,使测量结果在精度上达成一致,从而让学生从自己的第一手实验数据中直接验证阿基米德原理的正确性是十分必要的,有利于学生质疑创新的科学思维培养.
一、教材实验存在的问题
1.实验名称:验证阿基米德原理
(1)实验目的:定量研究浸在液体中的物体所受浮力与物体排开液体所受重力之间的关系
(2)实验器材:弹簧测力计,实心物块,量筒,細绳和水.
(3)实验步骤:(略)
(4)实验数据记录表:
(5)其中第一组数据的处理:
①利用公式F浮=F1-F2=1.2N-0.2N=1N,可以算出物块所受浮力F浮为1N.
② 由于V排=V2-V1=150cm3-50cm3=100cm3,可以算出物块排开水的体积V排为100cm3,合1×10-4m3
③ 利用公式G排=ρ水gV排=103kg/m3×9.8N/kg×1×10-4m3=0.98N,可以算出物块排开水所受的重力G排为0.98N
④ 比较F浮与G排的大小关系.
(6)实验结论:
实验需要验证的是阿基米德原理,即F浮与G排大小相等.但根据实验数据处理结果,可得F浮与G排并不是完全相等,两者相差0.02N.
(7)质疑:
学生在此处会对阿基米德原理所阐述的F浮=G排产生质疑,原因是经过实验得出的F浮与G排确实是不相等的.
(8)猜想:
学生会由此作出猜想:是否是实验误差引起的?
二、实验改进方案
1.方案一:提高弹簧测力计的精度,可以改用DIS力传感器替代测量精度较低的弹簧测力计.
改进后操作:如图4所示
(1)改进后的实验步骤:
① 如图4所示,在DIS力传感器下端用细线悬挂一块物块,记下DIS力传感器的示数F1及物块所受的重力G,并记入数据记录表中;
② 在量筒中盛适量的水,如图2所示记下水面的示数V1,并填入数据记录表中;
③ 如图5所示,将物块完全浸没在量筒的水中,记下此时量筒中水面的示数V2和DIS力传感器的示数F2,并填入数据记录表中;
④ 实验数据处理,计算得到F浮与G排的数值,并比较其大小关系,得出结论.
(1)改进后的实验数据记录表格
(3)改进后第一组数据的处理:
1、利用公式F浮=F1-F2=1.19N-0.21N=0.98N,可以算出物块所受浮力F浮为0.98N.
2、 由于V排=V2-V1=150cm3-50cm3=100cm3,可以算出物块排开水的体积V排为100cm3,合1×10-4m3
3、利用公式G排=ρ水gV排=103kg/m3×9.8N/kg×1×10-4m3=0.98N,可以算出物块排开水所受的重力G排为0.98N
4、比较F浮与G排的大小关系.
(4)改进后的实验结论:
从实验数据可以验证阿基米德原理F浮=G排的正确性.
(5)分析
经过实验可以看出,实验工具测量精度改进之后,从原来弹簧测力计的最小分度值为0.1N提高到DIS力传感器的最小分度值为0.01N.使得F浮的测量精度提高以后,使之与通过ρ水gV排计算得出的G排的精度达成一致,使得由于两者测量精度不统一而造成的实验误差以及造成与验证结论不一致的现象,对于学生的质疑也提出了比较合理的解释.
2.方案二:改“量筒”为“溢杯”,增加烧杯或轻质塑料袋,直接用弹簧测力计测量G排.
三、结语
两种改进方案的相同之处是将F浮和G排实验数据的测量精度化成一致,便于学生验证阿基米德原理的正确性,对于教学有一定的辅助作用;不同点在于方案一是通过提高F浮的测量精度,使之与G排的测量精度达成一致,实验数据的科学性更强,更利于培养学生的科学态度;方案二则是将G排的测量精度降低,使之与F浮的测量精度达成一致,这在实验器材局限的前提下,对于初中物理实验数据处理属于是一种无奈之举,不利于培养学生社会责任和科学态度,但确实能很好的从实验数据上验证阿基米德原理.建议在实际课堂教学中,可以先让学生按教材《学习活动卡》上的实验步骤进行验证实验,在给学生解释测量数据不一致的原因时,适当补充演示改进后的实验方案一或方案二,让学生在改进后的实验数据处理中体验尊重实验事实的科学态度,经历质疑创新的科学思维,从而验证阿基米德原理的正确性.