從誤差分析談?wù)?ldquo;測量固體的密度”實驗改進(jìn)期

1、江蘇省江陰市新橋中學(xué)(214400徐美蓉1“測量固體的密度”教學(xué)目標(biāo)分析物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版提出:“為了適應(yīng)時代發(fā)展需要,義務(wù)教育物理課程應(yīng)體現(xiàn)物理學(xué)的本質(zhì),反映物理學(xué)對社會發(fā)展的影響;應(yīng)注重學(xué)生的全面發(fā)展,關(guān)注學(xué)生應(yīng)對未來社會挑戰(zhàn)的需求;應(yīng)發(fā)揮在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面的重要作用?！贝穗A段的物理課程,不僅應(yīng)注重科學(xué)知識的傳授和技能的訓(xùn)練,而且應(yīng)注重對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、探究能力、創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神等方面的培養(yǎng)。蘇科版初中物理教材密度知識的應(yīng)用一節(jié)安排了學(xué)生實驗測量物質(zhì)的密度,要求選擇一個固體,測量其密度。要求“學(xué)會測量液體或一些形狀不規(guī)則的固體的密度”、“嘗試用密度知識解決簡單的問題,

2、能解釋生活中一些與密度有關(guān)的物理現(xiàn)象”。本課不僅能培養(yǎng)學(xué)生的技能,鍛煉學(xué)生的思維,還能培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理知識解決問題的能力,體現(xiàn)了新課標(biāo)“從生活走向物理,從物理走向社會”的理念。2“測量固體的密度”實驗設(shè)計在社會生活和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中,利用密度知識來鑒別物質(zhì)、間接測量物體的質(zhì)量或體積等,有一定的現(xiàn)實意義。常見的測量固體密度的方法如下(以測量小石塊的密度為例。2.1實驗步驟(1調(diào)節(jié)天平平衡,用天平測出小石塊的質(zhì)量m。(2在量筒中倒入適量的水,測出水的體積V1。(3用細(xì)線系好小石塊,放入盛有水的量筒中,測出總體積V2。(4小石塊的體積為V2-V1。2.2實驗數(shù)據(jù)記錄及處理收集其中一組學(xué)生的實驗數(shù)據(jù),見

3、表1。學(xué)生根據(jù)每次算出的小石塊的密度,求出小石塊的平均密度:這是初中物理計算物理量時常用的計算方法,多次測量取平均值以減小測量誤差。3“測量固體的密度”實驗誤差分析由于測量儀器、測量方法、測量條件和測量人員水平以及種種因素的局限,誤差總是存在,不可避免。在物理教學(xué)中,經(jīng)常采用第一種方法來測量固體的密度,對第一種實驗方案誤差分析如下。3.1小石塊的質(zhì)量誤差分析該實驗在測量小石塊的質(zhì)量時采用的是秤量為200 g、感量為0.2 g的JPT-2型架盤天平。根據(jù)實驗方案,小石塊的質(zhì)量能比較準(zhǔn)確地被測出,但實驗數(shù)據(jù)還是有所偏差,可能是讀數(shù)時存在誤差或天平本身存在系統(tǒng)誤差。小石塊的質(zhì)量誤差計算如下:用貝塞爾

4、公式計算任意一次質(zhì)量測量值的標(biāo)準(zhǔn)差為:用格羅布斯判據(jù)剔除壞數(shù)據(jù),查表得G6=1.82,G6S=0.14質(zhì)量不確定度的A類分量為A=S(m=0.077 g托盤天平的儀器最大允差儀=0.001 g質(zhì)量的測量結(jié)果:m=(11.7±0.08 g通過計算可知,小石塊質(zhì)量的測量誤差為0.001 7,其中該誤差因素本身的誤差為0.08,相應(yīng)的誤差傳遞系數(shù)為0.22。誤差分析如下:(1由于天平的制造、調(diào)整和實驗時的環(huán)境、溫度等原因,一般天平的兩臂總是不嚴(yán)格相等。因此,當(dāng)天平平衡時,砝碼的質(zhì)量和游碼所示質(zhì)量之和并不完全等于物體的質(zhì)量。為消除這種誤差,可以利用杠桿原理進(jìn)行檢測,求出天平臂長之比,從而做出

5、更精確的測量。(2砝碼的誤差。由于使用時間長,砝碼可能在操作過程中有磨損、生銹等各種現(xiàn)象發(fā)生,對測量結(jié)果也會有一定的影響。另外,托盤天平的靈敏度較低,也是一部分影響原因。3.2小石塊的體積誤差分析在測量小石塊的體積時,采用了間接測量的方法。為使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確,改變了水的量,但從實驗數(shù)據(jù)看出,小石塊的體積每次測量的結(jié)果也有一定的誤差。而測量的體積不僅包括小石塊的體積,細(xì)線也占了一定的體積,所以測得的體積偏大。對小石塊體積的計算及其誤差分析如下:用格羅布斯判據(jù)剔除壞數(shù)據(jù),查表得G6=1.82,G6S=0.14體積不確定度的A類分量為A=S(V=0.077 cm3體積的測量結(jié)果:V=(4.6

6、77;0.3 cm3通過計算可知:小石塊體積的測量誤差為0.16,因素本身的誤差為0.3,相應(yīng)的誤差傳遞系數(shù)為0.54。誤差分析:(1在測量小石塊的體積時,由于細(xì)線也占有一定的體積,導(dǎo)致測出的小石塊的體積存在誤差。為減少這部分誤差,細(xì)線越細(xì)越好,浸入液體中的細(xì)線越少越好,而且細(xì)線的吸水性也要進(jìn)行考慮。(2小石塊本身可能吸附了一些雜質(zhì),對其體積的測量也有一定的影響。3.3小石塊的密度的計算根據(jù)測量結(jié)果,小石塊密度的置信區(qū)間為(2.3,2.7,相對不確定度為8%。據(jù)分析,體積誤差因素對實驗結(jié)果總誤差的貢獻(xiàn)較大。4實驗改進(jìn)在實驗過程中,要減小實驗誤差,可以用更加精確的測量儀器,如用電子天平來測量小石

7、塊的質(zhì)量,也可以采用多種方法進(jìn)行實驗,如可以用測力計或力傳感器測量小石塊的重力,從而算出小石塊的質(zhì)量。還可以利用杠桿的平衡條件測量小石塊的重力。根據(jù)計算,小石塊的體積誤差對實驗結(jié)果的影響較大,所以在實驗時要盡量減小小石塊體積的誤差,如用較細(xì)的細(xì)繩系住小石塊、選用比較干凈的小石塊進(jìn)行實驗,減少雜質(zhì)對實驗結(jié)果的影響等。除了以上方法測量小石塊的密度,還可以利用阿基米德原理來測量小石塊的密度,實驗步驟如下。(1用細(xì)繩系住小石塊,掛在彈簧測力計上,靜止時測出小石塊的重力G。(2在燒杯中倒入適量的水,將小石塊慢慢浸沒在水中,靜止時讀出彈簧測力計的示數(shù)F。5結(jié)束語本實驗方案只用了一種測量工具彈簧測力計,也可以用力傳感器來代替彈簧測力計