學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究百米賽跑中時(shí)間差的來(lái)源

龔華

(張家港市三興初級(jí)中學(xué) 江蘇 蘇州 215624)

1 實(shí)驗(yàn)介紹

(1)課題名稱

探究聽(tīng)聲音對(duì)百米賽跑中計(jì)時(shí)的影響.

(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

物理來(lái)自于生活，實(shí)驗(yàn)是研究物理的重要方法，希望學(xué)生通過(guò)身邊隨手可得的物品、隨處可見(jiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行物理探究活動(dòng)，讓他們感受到生活中處處是物理，處處皆學(xué)問(wèn)，以此來(lái)調(diào)動(dòng)和激勵(lì)學(xué)生探究科學(xué)的興趣、使其感受科學(xué)的魅力，最終培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．

就這個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)講，要讓學(xué)生知道，百米賽跑中看發(fā)令槍的煙和聽(tīng)發(fā)令槍的聲音計(jì)時(shí)存在一定的差值，按照理論值來(lái)算，應(yīng)該是等于0.29 s.讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，感受這一過(guò)程，在這過(guò)程中領(lǐng)會(huì)實(shí)際測(cè)量值與理論值不一致的原因，同時(shí)體會(huì)小組合作的樂(lè)趣及取得實(shí)驗(yàn)成功的幸福感．

(3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及儀器

內(nèi)容為百米賽跑中看煙和聽(tīng)聲音的時(shí)間差，使用的儀器為秒表.

2 設(shè)計(jì)思路

(1)人員和時(shí)間的確定

本實(shí)驗(yàn)在《初中物理》八年級(jí)的教學(xué)中不是重點(diǎn)內(nèi)容，但是由于本實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好地鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，在農(nóng)村初中開(kāi)展不受場(chǎng)地、條件的限制，實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，因此，我們?cè)谖锢碚n以外尋找時(shí)間給學(xué)生鍛煉的機(jī)會(huì)．通過(guò)平時(shí)的觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)學(xué)生上體育課測(cè)試學(xué)生成績(jī)時(shí)，總有大部分學(xué)生在那兒無(wú)所事事，和體育教師商量后，決定利用體育課的一段時(shí)間開(kāi)展本實(shí)驗(yàn)．在實(shí)驗(yàn)時(shí)間得到保證后，我們選取了每班14名同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，別的同學(xué)等這14名人完成后再重新開(kāi)始這個(gè)實(shí)驗(yàn)，這樣既能滿足實(shí)驗(yàn)的正常開(kāi)展，也不影響體育課測(cè)試的正常進(jìn)行．

(2)制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

14名同學(xué)中選出一位總負(fù)責(zé)的組長(zhǎng)，由這個(gè)組長(zhǎng)組織學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)．明確實(shí)驗(yàn)的目的、小組成員的分工、數(shù)據(jù)的處理．

(3)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

小組按照既定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，教師不斷地對(duì)小組提示，讓他們討論現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方案，找出缺陷，剔除影響實(shí)驗(yàn)的因素，不斷改進(jìn)．

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果正好等于0.29 s，讓學(xué)生思考在本實(shí)驗(yàn)中有什么收獲，還有什么新的問(wèn)題．如果沒(méi)有0.29 s，讓學(xué)生尋找實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還有什么問(wèn)題，這些問(wèn)題能否解決，不能解決的原因是什么，還能在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)什么新的問(wèn)題．

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)第一次實(shí)驗(yàn)

組長(zhǎng)將14人分工如下：1人發(fā)令，1人記錄數(shù)據(jù)并做簡(jiǎn)單處理，4人跑步，每一名跑步的同學(xué)都有一名同學(xué)聽(tīng)聲音、一名同學(xué)看煙來(lái)計(jì)時(shí)，共計(jì)8人．分工結(jié)束后，運(yùn)動(dòng)員、發(fā)令員、記錄員各就各位，唯獨(dú)計(jì)時(shí)員的位置有很大區(qū)別，第一組的兩個(gè)人離跑道終點(diǎn)很遠(yuǎn)，第二組兩人分別在不同的位置，第三、第四組同學(xué)都在跑道邊上．看煙的同學(xué)都面對(duì)運(yùn)動(dòng)員，聽(tīng)聲音的計(jì)時(shí)員有的背對(duì)運(yùn)動(dòng)員，有的面對(duì)運(yùn)動(dòng)員睜眼或者閉眼．測(cè)量結(jié)束后，一組數(shù)據(jù)交到了數(shù)據(jù)處理同學(xué)的手里，這個(gè)同學(xué)制作了一張表格如表1.

表1 第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

原本以為一次就能得出結(jié)論的、很簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，但當(dāng)學(xué)生拿到這組數(shù)據(jù)后都異常詫異，數(shù)據(jù)中不僅沒(méi)有接近0.29 s的理論值，甚至出現(xiàn)了自相矛盾的各類數(shù)值．

面對(duì)這個(gè)結(jié)果，筆者提示同學(xué)，在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中，物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)該采取哪些方法？測(cè)量數(shù)據(jù)或者得出結(jié)論過(guò)程中有哪些方法來(lái)總結(jié)規(guī)律或者減少誤差？我們應(yīng)該從哪些方面來(lái)進(jìn)行改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)？

這下，14名同學(xué)議論開(kāi)了，同學(xué)們一致認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)是物理研究的重要手段，就本實(shí)驗(yàn)而言，剛才的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有些人站的位置不對(duì)，觀察的角度不統(tǒng)一，聽(tīng)聲音的不在終點(diǎn)線，聲音傳播距離比100 m長(zhǎng).還有人計(jì)時(shí)的時(shí)候在判斷運(yùn)動(dòng)員過(guò)百米的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，聽(tīng)聲音的人面對(duì)運(yùn)動(dòng)員閉眼還是背對(duì)運(yùn)動(dòng)員不統(tǒng)一，這些因素都造成了計(jì)時(shí)的不精確．在減少誤差方面，大家一致認(rèn)為，對(duì)于一名運(yùn)動(dòng)員只有一名看煙的和一名聽(tīng)聲音的計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)少，也容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，要求增加計(jì)時(shí)員，減少運(yùn)動(dòng)員，對(duì)計(jì)時(shí)結(jié)果取平均值減少誤差．

(2)第二次實(shí)驗(yàn)

組長(zhǎng)根據(jù)討論的結(jié)果，將14人重新分工，運(yùn)動(dòng)員改成2人，計(jì)時(shí)員增加到12人，一名運(yùn)動(dòng)員分別由3名看煙的和3名聽(tīng)聲音的同學(xué)記錄時(shí)間，發(fā)令和數(shù)據(jù)記錄由教師完成．看煙的同學(xué)和同時(shí)閉好眼睛聽(tīng)聲音的同學(xué)都面對(duì)運(yùn)動(dòng)員交叉在終點(diǎn)線一字排開(kāi)，都以運(yùn)動(dòng)員第一個(gè)腳過(guò)終點(diǎn)線算計(jì)時(shí)結(jié)束．

做好以上修改后，我們又進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 第二次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2號(hào)運(yùn)動(dòng)員均值/s差值/s聽(tīng)聲音/s14.7113.9514.1814.28看煙/s14.2314.3314.1914.250.03

面對(duì)第一組接近0.29 s，而第二組依舊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差很大這個(gè)結(jié)果，有同學(xué)提出，第二組中有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，不能采用這個(gè)數(shù)據(jù)，應(yīng)該將這個(gè)數(shù)據(jù)去除，這個(gè)建議又遭到了別的同學(xué)的反駁，因?yàn)槿绻サ袅诉@一個(gè)，取平均值意義不大，應(yīng)該在數(shù)據(jù)較多時(shí)取平均值，還有同學(xué)認(rèn)為既然我們實(shí)驗(yàn)次數(shù)不多，可以多測(cè)幾次，綜合組員的建議，我們又多測(cè)了幾組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示.

表3 增測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2號(hào)運(yùn)動(dòng)員均值/s差值/s聽(tīng)聲音/s17.8717.6517.6217.71看煙/s17.8217.6317.6617.70.01

后面依次又測(cè)了幾組數(shù)據(jù)，結(jié)果和上表都差不多，同學(xué)們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)雖然統(tǒng)一測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，但是每個(gè)人的反應(yīng)能力不同，每個(gè)人判斷到達(dá)終點(diǎn)始終有差別，這些因素都將影響測(cè)量結(jié)果，通過(guò)大家一致商定，決定將運(yùn)動(dòng)員由2人改為1人，同時(shí)將10人中反應(yīng)不夠準(zhǔn)確的人剔除，加入計(jì)時(shí)較準(zhǔn)確的同學(xué)共10人，由于數(shù)據(jù)多了，再將數(shù)據(jù)中明顯錯(cuò)誤的數(shù)值刪除取平均值，這個(gè)建議得到了大家的一致認(rèn)同．

(3)第三次實(shí)驗(yàn)

為了剔除反應(yīng)慢的同學(xué)，經(jīng)過(guò)小組討論，由教師發(fā)出指令，大家同時(shí)按秒表，再發(fā)指令，同時(shí)停止計(jì)時(shí)，通過(guò)幾次實(shí)驗(yàn)，替換了2位經(jīng)常計(jì)時(shí)經(jīng)常有誤的同學(xué)，這時(shí)，有位同學(xué)提出，我們能不能不要運(yùn)動(dòng)員就測(cè)呢?因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員跑得快還是慢并不是0.29 s來(lái)源的因素，一旦不要運(yùn)動(dòng)員，那么每個(gè)人判斷到達(dá)終點(diǎn)始終有差別這個(gè)問(wèn)題就可以得到解決了，也能夠有效的控制無(wú)關(guān)變量，按照這個(gè)說(shuō)法，我覺(jué)得前面計(jì)時(shí)時(shí)，同時(shí)記錄腳剛過(guò)終點(diǎn)線是控制變量法，那也是錯(cuò)誤的，因?yàn)楹螘r(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束這個(gè)變量并沒(méi)有引起0.29 s的改變，這只是測(cè)量誤差．一石激起千層浪，同學(xué)們議論開(kāi)了，什么是影響的真正因素？溫度，聲音只有在15 ℃時(shí)才有340 m/s的速度，溫度不同，聲速不同，為了使結(jié)果趨于準(zhǔn)確，學(xué)生測(cè)了當(dāng)時(shí)的溫度為18 ℃．如果沒(méi)有運(yùn)動(dòng)員，那么以什么作為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)呢？問(wèn)題剛落，受到剛才測(cè)反應(yīng)能力實(shí)驗(yàn)的影響，就有好多同學(xué)馬上異口同聲說(shuō)：老師喊停就馬上停．由此，我們明確了第三次實(shí)驗(yàn)的方法．

選10個(gè)計(jì)時(shí)員，全部面對(duì)100 m起點(diǎn)，在終點(diǎn)位置按照一個(gè)聽(tīng)聲音一個(gè)看煙一字排開(kāi)，發(fā)令員在起點(diǎn)的中間開(kāi)始發(fā)令，教師站在終點(diǎn)的中間，過(guò)一段時(shí)間，當(dāng)喊停時(shí)全部停止計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)三次實(shí)驗(yàn)，測(cè)得數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 第三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)第三次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的測(cè)得值和理論值之間僅僅只有0.03 s的差別，為什么測(cè)不到0.29 s呢？限于時(shí)間關(guān)系，我們的實(shí)驗(yàn)暫告一段落，由學(xué)生回家思考這一問(wèn)題．

(4)實(shí)驗(yàn)分析

第二天一早，就有學(xué)生告訴我，“老師，我在網(wǎng)上找到了溫度和聲速的關(guān)系式

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