高中物理實驗設計原則范文

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1實驗的設計

最初的高中物理實驗手冊對驗證機械能守恒實驗的設計，是讓重錘連接一條紙帶，紙帶穿過豎直固定的電火花計時器的限位孔(如圖1所示)，接通計時器電源，手提紙帶從高處靜止釋放重錘，重錘和紙帶一起加速下落，打點計時器在紙帶上記錄了重錘的運動情況．重復做多次試驗，然后選擇一條打點清晰的紙帶(如圖2所示)來研究重錘下落是否機械能守恒．重錘從靜止開始下落，要求出減少的機械能mgh，首先要找到開始下落時的那個紙帶上的那一個打點O點．設計者利用理論計算。所以把距離為2mm的兩個打點的那一個點記做是靜止下落的起始點O點．這樣就可以用刻度尺測量出重錘下落的高度hOB，算出減少的機械能．再利用短時間內AC平均速度約等于B點的瞬時速度．實驗分析從以上試驗設計原理上去分析以上的實驗設計，似乎都一一滿足了．而且此實驗設計簡便，測量數據較少，數據處理也很方便，這樣也同時提高了實驗的精確性．只是實驗中紙帶下落過程受到打點計時器和空氣的阻力，但重錘的重力遠大于阻力．因此數次的實驗結果也比較符合設計者的預想．粗略看來此實驗的設計較為成功，但問題出在初始點O點的確定上，即2mm的推導上．

2實驗的改進

設計者為了避開因尋找起始點而犯的科學性錯誤，現行的物理實驗手冊中在處理紙帶時，實驗不再確定起始點，而是隨機取了紙帶中較為清晰的兩點A、B(如圖3所示)，驗證重錘從A到B的過程中機械能是否守恒．實驗要量出AB的距離，然后用短時間內平均速度約等于瞬時速度。實驗分析實驗的操作過程沒有發生變化，只是在紙帶打點處理上進行了改進，而改進后的實驗沒有了科學性錯誤，并且也是切實可行的．從實驗設計原則上看都滿足了七大原則，那這樣的實驗設計是不是完美了呢?不需要做任何的優化了呢?其實我們可以發現這實驗設計也有它的缺陷存在．①實驗至少需要測量三段距離，要計算兩個瞬時速度，這比第一個實驗，實驗的測量和計算都略多了些，而這使實驗的簡潔性受到了影響，以及增加了測量帶來的偶然性誤差，也使實驗精確性降低．②以上兩個實驗還有一個不能忽視的問題，那就是重錘和紙帶在下落過程中受到的阻力．受到的阻力有兩類，空氣阻力、紙帶和打點計時器的摩擦阻力．而主要影響是后者，這個摩擦阻力使每次實驗的結果。

3實驗的優化

以上的實驗誤差主要是來自于打點計時器和紙帶的摩擦造成，而打點計時器的作用是起到計時的作用，目的是要得到重錘下落到某位置的瞬時速度．因此筆者想到可以利用光電門來測量重物下落的速度．如圖4所示，讓一個重物從某一高處下落，在小球下落的途徑中安裝一個光電門．做此實驗需要測量重物從靜止釋放處到光電門之間。實驗分析優化后的實驗方案沒有了紙帶和打點計時器的摩擦影響，消除了實驗誤差的主要因素，就避免了實驗結果一定是重物的減少勢能大于增加動能．但實驗的精確度還受其他因素的影響，以下是影響實驗精確度的三個因素及優化方法:(1)空氣的阻力．為了減小空氣阻力的影響，我們可以用體積較小，質量較大的重物，這樣就利用較大重力沖淡了空氣阻力的影響．(2)高度h的測量．高度h是從重物靜止釋放處重物的中心位置開始測量，到光電門處結束，為了減小測量誤差，我們可以進行多次測量，而且可以讓下落的高度適當的大一些．(3)小球的速率．光電門測量速度的原理是短時間內的平均速度看成瞬時速度，因此要適當的減小重物的高度L．當然也可以對光電門的測量時間精度提出更高要求．通過以上的優化，筆者做了多次嘗試，發現實驗結果的精確度有了較大的提高．當然我們實驗精確度的追求是永無止境的，隨著物理理論的發展、科學技術的進步、實驗設計的優化、實驗操作的精細化，在滿足實驗設計的原則前提條件下，實驗的結果一定會越來越接近客觀真實．

作者：張江峰 單位：紹興市越州中學