美章网 资料文库 高中物理实验设计原则范文

高中物理实验设计原则范文

时间:2022-06-30 04:03:19

高中物理实验设计原则

1实验的设计

最初的高中物理实验手册对验证机械能守恒实验的设计,是让重锤连接一条纸带,纸带穿过竖直固定的电火花计时器的限位孔(如图1所示),接通计时器电源,手提纸带从高处静止释放重锤,重锤和纸带一起加速下落,打点计时器在纸带上记录了重锤的运动情况.重复做多次试验,然后选择一条打点清晰的纸带(如图2所示)来研究重锤下落是否机械能守恒.重锤从静止开始下落,要求出减少的机械能mgh,首先要找到开始下落时的那个纸带上的那一个打点O点.设计者利用理论计算。所以把距离为2mm的两个打点的那一个点记做是静止下落的起始点O点.这样就可以用刻度尺测量出重锤下落的高度hOB,算出减少的机械能.再利用短时间内AC平均速度约等于B点的瞬时速度.实验分析从以上试验设计原理上去分析以上的实验设计,似乎都一一满足了.而且此实验设计简便,测量数据较少,数据处理也很方便,这样也同时提高了实验的精确性.只是实验中纸带下落过程受到打点计时器和空气的阻力,但重锤的重力远大于阻力.因此数次的实验结果也比较符合设计者的预想.粗略看来此实验的设计较为成功,但问题出在初始点O点的确定上,即2mm的推导上.

2实验的改进

设计者为了避开因寻找起始点而犯的科学性错误,现行的物理实验手册中在处理纸带时,实验不再确定起始点,而是随机取了纸带中较为清晰的两点A、B(如图3所示),验证重锤从A到B的过程中机械能是否守恒.实验要量出AB的距离,然后用短时间内平均速度约等于瞬时速度。实验分析实验的操作过程没有发生变化,只是在纸带打点处理上进行了改进,而改进后的实验没有了科学性错误,并且也是切实可行的.从实验设计原则上看都满足了七大原则,那这样的实验设计是不是完美了呢?不需要做任何的优化了呢?其实我们可以发现这实验设计也有它的缺陷存在.①实验至少需要测量三段距离,要计算两个瞬时速度,这比第一个实验,实验的测量和计算都略多了些,而这使实验的简洁性受到了影响,以及增加了测量带来的偶然性误差,也使实验精确性降低.②以上两个实验还有一个不能忽视的问题,那就是重锤和纸带在下落过程中受到的阻力.受到的阻力有两类,空气阻力、纸带和打点计时器的摩擦阻力.而主要影响是后者,这个摩擦阻力使每次实验的结果。

3实验的优化

以上的实验误差主要是来自于打点计时器和纸带的摩擦造成,而打点计时器的作用是起到计时的作用,目的是要得到重锤下落到某位置的瞬时速度.因此笔者想到可以利用光电门来测量重物下落的速度.如图4所示,让一个重物从某一高处下落,在小球下落的途径中安装一个光电门.做此实验需要测量重物从静止释放处到光电门之间。实验分析优化后的实验方案没有了纸带和打点计时器的摩擦影响,消除了实验误差的主要因素,就避免了实验结果一定是重物的减少势能大于增加动能.但实验的精确度还受其他因素的影响,以下是影响实验精确度的三个因素及优化方法:(1)空气的阻力.为了减小空气阻力的影响,我们可以用体积较小,质量较大的重物,这样就利用较大重力冲淡了空气阻力的影响.(2)高度h的测量.高度h是从重物静止释放处重物的中心位置开始测量,到光电门处结束,为了减小测量误差,我们可以进行多次测量,而且可以让下落的高度适当的大一些.(3)小球的速率.光电门测量速度的原理是短时间内的平均速度看成瞬时速度,因此要适当的减小重物的高度L.当然也可以对光电门的测量时间精度提出更高要求.通过以上的优化,笔者做了多次尝试,发现实验结果的精确度有了较大的提高.当然我们实验精确度的追求是永无止境的,随着物理理论的发展、科学技术的进步、实验设计的优化、实验操作的精细化,在满足实验设计的原则前提条件下,实验的结果一定会越来越接近客观真实.

作者:张江峰 单位:绍兴市越州中学

被举报文档标题:高中物理实验设计原则

被举报文档地址:

https://www.meizhang.comhttps://www.meizhang.com/sjlw/sysjlw/674737.html
我确定以上信息无误

举报类型:

非法(文档涉及政治、宗教、色情或其他违反国家法律法规的内容)

侵权

其他

验证码:

点击换图

举报理由:
   (必填)