_中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自制教具_(dá)學(xué)習(xí)建議_二_.pdf

第 20卷第 3 期大 學(xué) 物 理Vol 20No 3 2001年 3 月COLLEGE PHYSICSMar 2001 中學(xué)物理教師 繼續(xù)教育 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自制教具 學(xué)習(xí)建議 二 y 劉炳升 陶 洪 南京師范大學(xué) 物理系 江蘇 南京 210097 摘要 介紹中學(xué)物理教師繼續(xù)教育教材 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自制教具 中第二章的內(nèi)容和要求 側(cè)重在 誤差理論和圖像法在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及其研究中的應(yīng)用 關(guān)鍵詞 誤差理論 數(shù)據(jù)處理 圖像法 抑制誤差因素 中圖分類號(hào) G 451 2 O 4 33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 C 文章編號(hào) 1000 0712 2001 03 0043 04 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自制教具 的第二章 物 理實(shí)驗(yàn)方法 主要介紹誤差理論和圖像法在中學(xué)物理實(shí) 驗(yàn)及其研究中的應(yīng)用 1 誤差理論在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用 不少中學(xué)教師認(rèn)為誤差理論在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中沒(méi) 有多大用處 因?yàn)橹袑W(xué)物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)學(xué)生的誤差要求不 高 不需要對(duì)誤差進(jìn)行定量的計(jì)算 其實(shí) 這是一種誤 解 雖然對(duì)中學(xué)生的誤差要求不高 但對(duì)教師來(lái)說(shuō) 卻有 很多應(yīng)用 例如 應(yīng)用誤差理論確定誤差和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 選 擇實(shí)驗(yàn)儀器 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟 更好地處理數(shù)據(jù)和改進(jìn)實(shí) 驗(yàn)方案等 這里著重介紹了如下一些應(yīng)用 1 1 確定實(shí)驗(yàn)誤差和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的取值范圍 該教材中介紹了確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的兩種情況 一種是 已知真值 或真值的理想近似值 一種是不知和不易得 到真值的情況 實(shí)驗(yàn)結(jié)果范圍的確定 在教學(xué)中具有很 圖1 實(shí)際的意義 特別是在評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果 時(shí)尤為重要 例如 用單擺測(cè)定重力加速 度 g 的實(shí)驗(yàn) 該實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示 擺長(zhǎng) l l1 l2 l1 d 2 周期 T t 50 其中 t 為單擺做 50 次全振動(dòng)所用的時(shí)間 1 確定真值 g 值因地而異 如能得 知當(dāng)?shù)氐?g 值 如查表或向地質(zhì)部門詢 問(wèn) 最好 如不能得知準(zhǔn)確值 那么 只能由教師進(jìn)行足 夠多次測(cè)量 以 N 作為真值N 的最佳估計(jì)值 2 估計(jì)最大誤差 N 由公式 g 4 l T2 得 用絕對(duì)值 和法 g g l l 2 T T 2 1 或 g g l1 1 2 d l 2 T T 2 2 這里 l1用米尺測(cè)量 取 l1 1 m 考慮到測(cè)量條件所限 可以認(rèn)為 l1 2 10 3m 小球直徑 d 是用游標(biāo)卡尺測(cè) 量的 d 不大于 5 10 5m 可見(jiàn) d l1 所以 l l l1 l1 0 002 t 是用秒表測(cè)量的 秒表的精度為 0 1 s 共測(cè) 50個(gè)周期 所以 T 0 1 50 s 0 002 s 因?yàn)?l 1 m 時(shí) T 2 s 所以 T T 0 001 由于 是無(wú)理數(shù) 當(dāng)我們用3 14 或 3 142 來(lái)代表 時(shí) 就引進(jìn)了誤差 其相對(duì)誤差的大小 3 14 用 10 位計(jì)算器算得 0 000 5 y收稿日期 2000 09 04 作者簡(jiǎn)介 劉炳升 1939 男 江蘇南京人 南京師范大學(xué)物理系教授 主要從事科學(xué)教育和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究 由上可得 g g 0 002 2 0 001 2 0 000 5 0 5 至此 可以確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確范圍應(yīng)為 g 0 005g 如 蘇州地區(qū)的 g 值 取 4位有效數(shù)字 約為 9 795 m s2 因此 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確范圍應(yīng)為 9 795 0 049 m s2 即 9 746 9 844 m s2 1 2 選擇和確定實(shí)驗(yàn)方案 在選擇和確定實(shí)驗(yàn)方案的時(shí)候 主要要考慮系統(tǒng)誤 差 有時(shí)也要適當(dāng)考慮偶然誤差 如測(cè)量次數(shù)很少時(shí) 或 者某些量的偶然誤差 在了解各實(shí)驗(yàn)方案的系統(tǒng)誤差之 后 再根據(jù)系統(tǒng)誤差的大小以及某些實(shí)際情況 如器材 操作等 來(lái)確定實(shí)驗(yàn)方案 下面以 反之越大 2 用內(nèi)接法時(shí) 真實(shí)值R x U I RA 6 測(cè)量值Rx U I R x RA 7 相對(duì)誤差 內(nèi) Rx R x R x RA R x 8 由式 8 可見(jiàn) 如果電流表內(nèi)阻比待測(cè)電阻小得越多 所 引起的誤差越小 反之越大 設(shè)有一個(gè)電阻 R0 無(wú)論用哪種接法 所引起的相對(duì) 誤差相等 那么 由式 5 8 可以斷定 當(dāng) Rx R0時(shí) 用內(nèi)接法測(cè)量的相對(duì)誤差較小 當(dāng) Rx RA 又 R0 0 故舍去 R0 E IB 0 這種情況相當(dāng)于 如 圖 7所示 利用電源 E r 給電池 E r 充電 圖 6 圖 7 從圖 6 可見(jiàn) 加在電池 E r 兩端的電壓 UB越高 流過(guò)電池 E r 的電流就越大 電池的輸入功率為 PB IBUB 22 其大小可由矩形 BUB0IB面積的大小 SBUB0IB來(lái)表示 其 中 如圖 8 所示 SB E0I B IBE 23 45第 3期 劉炳升等 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自制教具 學(xué)習(xí)建議 二 即為轉(zhuǎn)化為電池 E r 化學(xué)能的功率 而 SBU B EB IB UB E 24 即為電池內(nèi)阻 r 所消耗的功率 圖 8 2 2 用放電法測(cè)量電容器的電容量 從電容的計(jì)算公式 C Q U 25 來(lái)看 U 是容易測(cè)定的 關(guān)鍵在于如何測(cè)量電量 Q 按初 中物理的知識(shí) Q 可以這樣求 Q I t 26 I 為 t 時(shí)間內(nèi)電路中的電流 對(duì)于電容器上積累的電量 我們也可通過(guò)其放電 或充電 電流的大小和放電 或充電 時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)求 得 但是 我們知道 電容器在放電時(shí) 放電電流在逐漸 變小 而且不是恒定不變的 如圖 9 所示 因此 我們不 能簡(jiǎn)單地用式 26 來(lái)計(jì)算 于是 我們可以按圖 10接好電路 接通開(kāi)關(guān) S 電壓 表和電流表達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后就表明充電完畢 記下這時(shí) 然后 打開(kāi)開(kāi)關(guān) S 即可認(rèn)為電容器放電過(guò)程開(kāi)始 每隔 圖 9 若干秒鐘記下電流表的讀 數(shù) 兩電表的讀數(shù) 這就是 以后放電時(shí)的起始電壓 U0 和起始電流 I0 直至放電電流減小到 實(shí)際上無(wú)法測(cè)出 讀數(shù)為 零 為止 得到一系列的對(duì)應(yīng)數(shù) 據(jù) ti和Ii后 在坐標(biāo)紙上 圖10 作出 I t 圖像 曲線下的面積可由坐標(biāo)線的方格數(shù)近 似得到 由此得到 Q 后 即可由公式 C Q U0 求得電容器的電容 由上述可見(jiàn) 用電容器放電測(cè)電容這個(gè)實(shí)驗(yàn) 如不 用圖像法 是難以進(jìn)行的 參考文獻(xiàn) 1 陶洪 物理實(shí)驗(yàn)論 M 南寧 廣西教育出版社 1996 上接 25頁(yè) Some unsymmetry in the second law of thermodynamics ZHANG Lan zhi Department of Physics Nature Science College Qiqihar University Qiqihar Heilongjiang 161006 China Abstract The second law of thermodynamics reveals some unsymmetry Key words unsymmetry second law of thermodynamics Kelvin formulation Clausius formulation 上接 32頁(yè) Michelson s experiment on the velocity of light LIU Zhan cun ZHANG Guo ying Department of Physics the Capital Normal University Beijing 100037 China Abstract Michelson s contributions