從改進(jìn)測量精度談驗(yàn)證阿基米德原理實(shí)驗(yàn)

江勇

測量精度是指被測物理量的測量值與真實(shí)值的接近程度.它和測量誤差是從兩個(gè)不同角度說明同一概念的術(shù)語.測量誤差越大，則測量精度就越低.驗(yàn)證阿基米德原理實(shí)驗(yàn)是上海市中考物理14個(gè)重點(diǎn)考核實(shí)驗(yàn)之一，也是14個(gè)重點(diǎn)考核實(shí)驗(yàn)中唯一一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)水平屬于B級，即理解級要求，要求學(xué)生知道實(shí)驗(yàn)?zāi)康?會(huì)依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案選擇實(shí)驗(yàn)器材;會(huì)實(shí)驗(yàn)操作;能記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù);能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)驗(yàn)證阿基米德原理.在上教版九年級第一學(xué)期《學(xué)習(xí)活動(dòng)卡》P.14驗(yàn)證阿基米德原理的實(shí)驗(yàn)步驟中通過彈簧測力計(jì)測量物塊浸沒在水中時(shí)所受到的浮力F浮，用量筒測量物塊浸沒在水中的體積V排，然后運(yùn)用公式G排=ρ水gV排計(jì)算出G排.最后通過比較F浮與G排測量值大小，從而驗(yàn)證阿基米德原理的正確性.多年以來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)由于F浮與G排兩者測量精度的不一致而導(dǎo)致測量值大小并不完全相等，每次在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論前老師們總要給學(xué)生解釋在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，可以驗(yàn)證阿基米德原理是正確的.每回都會(huì)看到部分學(xué)生閃爍著質(zhì)疑的眼神，被動(dòng)的接受著與測量結(jié)果有細(xì)微不一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.因此有必要在測量精度方面對該實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)，使測量結(jié)果在精度上達(dá)成一致，從而讓學(xué)生從自己的第一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中直接驗(yàn)證阿基米德原理的正確性是十分必要的，有利于學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維培養(yǎng).

一、教材實(shí)驗(yàn)存在的問題

1.實(shí)驗(yàn)名稱：驗(yàn)證阿基米德原理

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模憾垦芯拷谝后w中的物體所受浮力與物體排開液體所受重力之間的關(guān)系

（2）實(shí)驗(yàn)器材：彈簧測力計(jì)，實(shí)心物塊，量筒，細(xì)繩和水.

（3）實(shí)驗(yàn)步驟：（略）

（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表：

（5）其中第一組數(shù)據(jù)的處理：

①利用公式F浮=F1-F2=1.2N-0.2N=1N，可以算出物塊所受浮力F浮為1N.

② 由于V排=V2-V1=150cm3-50cm3=100cm3，可以算出物塊排開水的體積V排為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，可以算出物塊排開水所受的重力G排為0.98N

④ 比較F浮與G排的大小關(guān)系.

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

實(shí)驗(yàn)需要驗(yàn)證的是阿基米德原理，即F浮與G排大小相等.但根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可得F浮與G排并不是完全相等，兩者相差0.02N.

（7）質(zhì)疑：

學(xué)生在此處會(huì)對阿基米德原理所闡述的F浮=G排產(chǎn)生質(zhì)疑，原因是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出的F浮與G排確實(shí)是不相等的.

（8）猜想：

學(xué)生會(huì)由此作出猜想：是否是實(shí)驗(yàn)誤差引起的？

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

1.方案一：提高彈簧測力計(jì)的精度，可以改用DIS力傳感器替代測量精度較低的彈簧測力計(jì).

改進(jìn)后操作：如圖4所示

（1）改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)步驟：

① 如圖4所示，在DIS力傳感器下端用細(xì)線懸掛一塊物塊，記下DIS力傳感器的示數(shù)F1及物塊所受的重力G，并記入數(shù)據(jù)記錄表中;

② 在量筒中盛適量的水，如圖2所示記下水面的示數(shù)V1，并填入數(shù)據(jù)記錄表中;

③ 如圖5所示，將物塊完全浸沒在量筒的水中，記下此時(shí)量筒中水面的示數(shù)V2和DIS力傳感器的示數(shù)F2，并填入數(shù)據(jù)記錄表中;

④ 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到F浮與G排的數(shù)值，并比較其大小關(guān)系，得出結(jié)論.

（1）改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格

（3）改進(jìn)后第一組數(shù)據(jù)的處理：

1、利用公式F浮=F1-F2=1.19N-0.21N=0.98N，可以算出物塊所受浮力F浮為0.98N.

2、 由于V排=V2-V1=150cm3-50cm3=100cm3，可以算出物塊排開水的體積V排為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，可以算出物塊排開水所受的重力G排為0.98N

4、比較F浮與G排的大小關(guān)系.

（4）改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證阿基米德原理F浮=G排的正確性.

（5）分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可以看出，實(shí)驗(yàn)工具測量精度改進(jìn)之后，從原來彈簧測力計(jì)的最小分度值為0.1N提高到DIS力傳感器的最小分度值為0.01N.使得F浮的測量精度提高以后，使之與通過ρ水gV排計(jì)算得出的G排的精度達(dá)成一致，使得由于兩者測量精度不統(tǒng)一而造成的實(shí)驗(yàn)誤差以及造成與驗(yàn)證結(jié)論不一致的現(xiàn)象，對于學(xué)生的質(zhì)疑也提出了比較合理的解釋.

2.方案二：改“量筒”為“溢杯”，增加燒杯或輕質(zhì)塑料袋，直接用彈簧測力計(jì)測量G排.

三、結(jié)語

兩種改進(jìn)方案的相同之處是將F浮和G排實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量精度化成一致，便于學(xué)生驗(yàn)證阿基米德原理的正確性，對于教學(xué)有一定的輔助作用;不同點(diǎn)在于方案一是通過提高F浮的測量精度，使之與G排的測量精度達(dá)成一致，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性更強(qiáng)，更利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度;方案二則是將G排的測量精度降低，使之與F浮的測量精度達(dá)成一致，這在實(shí)驗(yàn)器材局限的前提下，對于初中物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理屬于是一種無奈之舉，不利于培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任和科學(xué)態(tài)度，但確實(shí)能很好的從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上驗(yàn)證阿基米德原理.建議在實(shí)際課堂教學(xué)中，可以先讓學(xué)生按教材《學(xué)習(xí)活動(dòng)卡》上的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在給學(xué)生解釋測量數(shù)據(jù)不一致的原因時(shí)，適當(dāng)補(bǔ)充演示改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案一或方案二，讓學(xué)生在改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中體驗(yàn)尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度，經(jīng)歷質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維，從而驗(yàn)證阿基米德原理的正確性.