建立理想模型 提高測量精度

顧炳峰 相玉坤

摘 要：在估測大氣壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中，“估測”必然帶來較大的誤差.因?yàn)闇y量的最終目的還是要盡可能接近真實(shí)值，所以教師也會(huì)帶領(lǐng)學(xué)生分析“摩擦力”“空氣未排干凈”等因素導(dǎo)致的誤差可能.由于量程問題，在實(shí)驗(yàn)室用彈簧測力計(jì)測量大氣壓力的過程中的確必須用較細(xì)的注射器（例如2.5mL規(guī)格）.選擇細(xì)的注射器實(shí)驗(yàn)成功率較高，卻帶來了較大的誤差.筆者通過實(shí)際測量數(shù)據(jù)分析，強(qiáng)調(diào)對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)應(yīng)關(guān)注精度.

關(guān)鍵詞：大氣壓強(qiáng);理想模型;測量精度

文章編號(hào)：1008-4134（2019）22-0016 中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在蘇科版物理教材八年級(jí)下第十章第三節(jié)“氣體的壓強(qiáng)”教學(xué)中，關(guān)于“估測大氣壓強(qiáng)”實(shí)驗(yàn)，相比人教版教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——“吸盤法”（如圖1所示），蘇科版教材已經(jīng)改進(jìn)為通過水平拉動(dòng)注射器來測量大氣壓強(qiáng)——“注射器法”（如圖2所示）.兩者原理相同，都是根據(jù)p=F/S，利用二力平衡的知識(shí)測量大氣壓力，“吸盤法”是在將吸盤拉脫的瞬間讀數(shù)，“注射器法”是發(fā)現(xiàn)活塞開始拉動(dòng)時(shí)讀數(shù).后者解決了前者讀數(shù)困難的問題（前者彈簧測力計(jì)在運(yùn)動(dòng)過程中難以讀數(shù)且示數(shù)保持時(shí)間短，后者讀數(shù)時(shí)彈簧測力計(jì)是靜止的，示數(shù)較穩(wěn)定），又可以避免吸盤重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.然而“注射器法”實(shí)驗(yàn)中活塞與注射器之間存在摩擦，注射器內(nèi)空氣是否排干凈，對(duì)測量結(jié)果也有影響.還有一個(gè)問題，就是實(shí)驗(yàn)室用的彈簧測力計(jì)量程有限，選用較粗還是較細(xì)的注射器，也是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵.

4 反思與結(jié)論

反思1：“估測大氣壓強(qiáng)”實(shí)驗(yàn)中“估測”意味著可以有誤差，沒有必要非常精確.教師可以帶領(lǐng)學(xué)生分析誤差的主要原因有兩點(diǎn)：一是注射器筒壁對(duì)活塞的摩擦;二是注射器內(nèi)空氣未排干凈.倘若在一開始實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)，就要注意到這兩個(gè)問題，其實(shí)就是失去了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的意義.這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的就是快速地估測出大氣壓強(qiáng)的值.關(guān)于該實(shí)驗(yàn)中如何提高測量精度，在時(shí)間允許的情況再進(jìn)行交流評(píng)估.

反思2：“估測”并不意味著我們可以不重視誤差的大小.測量的目的就是要盡可能地接近真實(shí)值.我們往往希望通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材和方法來減小誤差.筆者通過上述的分析，發(fā)現(xiàn)采用更粗的注射器估測大氣壓強(qiáng)誤差更小.

反思3：為什么教材中并未要求用“排水”的方法來排凈注射器內(nèi)的空氣？因?yàn)樽⑸淦魍脖趯?duì)活塞的摩擦?xí)箿y量值偏大，而注射器內(nèi)的小孔內(nèi)空氣無法排干凈會(huì)使測量值變小.這兩個(gè)因素同時(shí)產(chǎn)生，恰恰能使“估測”誤差更小.當(dāng)然，這僅僅是快速“估測”前提下的巧合，在分析論證的時(shí)候，必須把這兩個(gè)因素區(qū)分開.

結(jié)論：“估測大氣壓強(qiáng)”實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寧熒焖俚亍肮罍y”大氣壓強(qiáng)的值，由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)彈簧測力計(jì)量程有限，為了保證成功率，我們選用了更細(xì)的注射器（2.5mL規(guī)格），實(shí)驗(yàn)更加快速簡便.然而，如果實(shí)驗(yàn)需要改進(jìn)，那必定是以增加精度為目的，那就應(yīng)該盡可能選擇更粗的針筒（例如100mL規(guī)格）.測量需要提高成功率，但是并不能意味著要犧牲精度.教師改進(jìn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該兼顧成功率和精度，才更有利于教學(xué).忽略次要因素，建立理想模型，是提高測量精度的最好方法.

同時(shí)，測量精度的提高也更有利于我們得出物理規(guī)律，例如“探究定滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)”時(shí)，由于彈簧測力計(jì)的彈簧和秤鉤都有一定的質(zhì)量，彈簧測力計(jì)的示數(shù)會(huì)略小于繩子受到的實(shí)際拉力，解決這個(gè)問題的其中一個(gè)辦法就是將實(shí)驗(yàn)中所提升的鉤碼質(zhì)量取大一些，質(zhì)量越大，彈簧測力計(jì)的示數(shù)就越接近繩子受到的實(shí)際拉力，就更容易得出定滑輪工作時(shí)的特點(diǎn).再如蘇科版教材“探究二力平衡的條件”實(shí)驗(yàn)中，為了忽略卡片自重的影響，我們選用輕質(zhì)卡片，并增加鉤碼質(zhì)量是實(shí)驗(yàn)成功的重要前提。忽略次要因素，建立理想模型這一思想方法經(jīng)常應(yīng)用于物理教學(xué)中，可以提高測量精度，便于得出物理規(guī)律，是研究問題的重要方法.

參考文獻(xiàn)：

[1] 王息英.估測大氣壓強(qiáng)值的探究性實(shí)驗(yàn)研究[J].物理教師，2007（12）：30-31.

[2] 高靜.對(duì)“估測大氣壓的值”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新[J].物理教師，2015，36（08）：39+42.

[3] 蘇靈平.精確地做“估測大氣壓值”實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2010，27（Z1）：68-69.

[4]朱文靜.“估測大氣壓的值”實(shí)驗(yàn)的誤差分析和改進(jìn)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015，44（16）：95.

[5]毛海玲.對(duì)“估測大氣壓的值”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理教學(xué)，2014，36（07）：46-47.

（收稿日期：2019-06-23）