高中物理实验设计原则范文

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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