關于《勻速直線運動》探究實驗教學的研究

摘 要：在“研究充水玻璃管中氣泡的運動規律”探究性實驗中，會遇到實驗誤差較大的問題。對此，課本是借助于圖像進行處理，而老師多是簡單歸之于“誤差”。該實驗要減小誤差，其實只要改進計時方法，運用“充水玻璃管中氣泡的運動規律”來說明勻速直線運動即可達到較好的效果。

關鍵詞：直線運動；勻速；誤差；計時方法；實驗改進

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1009-010X（2012）09-0019-03

蘇教版八年級物理上冊第五章第三節，教材安排了探究性實驗“研究充水玻璃管中氣泡運動規律”，通過探究物體在相等的時間內通過的路程相等來說明勻速直線運動。在過去多年的教學中，我們都認為學生在測量過程中，計時、讀數等存在的誤差是造成實驗結果偏差的主要原因。筆者對計時方式影響實驗結果的情況進行了對比探討，深入地剖析了幾種計時方式產生誤差的原因，發現課本介紹的實驗方法對說明勻速直線運動存在問題（因為玻璃管豎直放置，氣泡的運動并不是勻速直線運動）。現結合對《勻速直線運動》探究性實驗談談自己的見解。

一、幾種計時方式測得實驗數據的比較

教材中具體的探究性學習內容要求為：

1.在內徑約為1cm、長約為50cm的玻璃管中注滿水，管內留一個小氣泡。

2.將玻璃管翻轉后豎直或傾斜放置，觀察氣泡的運動情況，如圖1所示。

3.與同組的同學討論：如何測出氣泡通過10cm、20cm、30cm和40cm所用時間，并記下本組設計的方案。

4.按照設計的方案做一做，把測得的數據填入下表中，并計算出各區間的時間和相應的速度。

5.以路程s為縱坐標，時間t為橫坐標，畫出s-t圖像。

6.總結、交流氣泡運動規律：氣泡在上升一段路程后，運動的路程和時間近似成______（正/反）比，運動的速度可以看做是______（改變/不變）的。

在課堂教學中，我們發現，學生分組實驗得到的實驗結果都存在較大的差異，教師對此籠統地歸結為實驗誤差，但沒有講清楚造成誤差原因，有時甚至把一些錯誤性操作也歸結為誤差。對此，筆者通過不同的實驗方法探析了實驗誤差產生的原因和減小誤差的方法。具體做法如下：

為了進行數據對比，實驗采用了控制變量法：用同種實驗器材，對同一個實驗過程進行實驗，只改變計時方式。

計時方式一（分段測量法）：5名學生為一組（包括第三種計時方式的計時員甲）合作探究，學生甲負責觀察玻璃管內氣泡的運動情況，并指揮其他四名學生（乙、丙、丁、戊）分別進行計時。當氣泡由如圖所示位置上升到A位置時發出口令：“計時”，四名計時學生一起按下秒表；當氣泡上升到B點時發出口令：“到”，則乙同學按下秒表；當氣泡上升到C點時發出口令：“到”，則丙同學按下秒表；依此類推，乙、丙、丁、戊分別記錄氣泡從A點出發到達B、C、D、E處所需的時間。然后，再重復實驗2次。

方式一實驗記錄數據如下：

計時方式二（記號法）：在第一組學生實驗的同時，另一名同學“乙”一手持表，一手拿筆，當氣泡運動到A處時，甲同學發出口令：“計時”，“乙”同學也按下秒表開始計時；當氣泡到達B處時，甲發出口令：“到”，“乙”同學用筆在秒表指針處做一記號，依此類推（如圖2所示），然后讀出時間數據。

計時方式三（直接持續測量法）：甲同學觀察氣泡運動情況并發出口令的同時自己也計時，使用的計時工具為可以連續計時的秒表如圖3（或者用學生計算器、手機等），當氣泡上升一段距離到達A處時開始計時，到達B、C、D、E處時分別按一下按鈕，但眼睛始終觀察氣泡的運動。

下面任意抽取同一次實驗三種不同計時方式的三組數據比較分析：

以數據的平均值為參照線，比較所測時間的變化情況：

圖像分析：

由圖像分析可以看出，第一種測量方式測得的時間變化是波動性的。不難猜想，氣泡在玻璃管中的上升運動，經過連續相等路程的時間要么相等、要么連續增大或連續減小，即應是線性變化的。由此可見，第一種方式測量的數據與氣泡上升運動的規律不符。第二種與第三種測量方式，尤其是第三種測量方式，結果最接近線性變化，最接近氣泡上升運動的真實情況。因此，筆者認為，第三種測量時間的方式更適合于本實驗。

那么，是什么原因造成三種不同測量方式產生不同的結果呢？第一種方式測得數據之所以波動大，是由于四名計時學生對口令的反應時間不同，造成絕對與相對誤差都較大。因為正常人對口令的反應時間為0.15s ～ 0.4s，在第一種測量方式中的第一組數據誤差來源于兩名同學，即甲同學與乙同學；而后面三組數據與三個同學有關，第二組數據與甲、乙、丙有關；第三組數據與甲、丙、丁有關；第四組數據與甲、丁、戊有關。由于三者的反應時間不同，因而造成了有的數據偏大，有的數據偏小。

第二種測量方式是兩名同學之間的配合，一般地講，兩者之間的反應時間差相對而言是較固定的，對實驗有一定的影響，而更主要的誤差存在于乙同學觀察秒表的指針運動并用記號筆在表面做記號的準確度。

第三種計時方式是一個人操作，從觀察到大腦支配手按秒表，前后一致，因此，誤差最小。

所以，筆者認為，在《勻速直線運動》這個探究實驗中，要讓實驗的誤差最小，可使用第三種方式測量時間，更利于學生得出較為精確的結論。

因此，在物理教學中，我們不但要培養學生在探究性學習中的合作能力、動手能力，還要讓學生在探究性學習中提高分析問題、解決問題的能力，學會在實踐中改進、在實踐中創新。

二、實驗中如何讓實驗最接近勻速運動

經過多次反復實驗驗證，氣泡在試管中的運動并不是勻速直線運動，從上面表格三次不同的實驗結果也可以看出。那么到底是什么原因造成在玻管、液體、氣泡、傾斜角度不變的情況下，各相同距離，氣泡上升運動所用的時間不等呢？

筆者在準備實驗階段偶然發現，同樣的裝置，同樣豎直放置，但在不同的玻璃管中氣泡上升的快慢不同。甚至在同一玻管中，不同的氣泡上升的快慢也不一樣。

在玻管不變、液體不變，都豎直放置的情況下，改變氣泡的大小，實驗的結果如下：

由此可見，在其它因素不變的情況下，氣泡越大，上升相同距離所用的時間越長。

這就不難解釋為什么在上面進行的實驗中，各相同距離，氣泡越往上所用時間越長的問題了。

筆者認為：由于氣泡在上升的過程中，所處的液體深度越來越小，其所受到的液體壓強就越來越小，氣泡的體積就越來越大，上升時間也就越來越長。因此，氣泡上升起初時是加速，后來逐漸變為減速。

那么，如何確保該實驗較能準確的反映《勻速直線運動》的情況，筆者認為，可以有兩種解決辦法：

第一，在玻璃管內封閉一小氣泡，將玻璃管水平放置在桌面上，然后，稍稍抬起試管的另一端，讓小氣泡在玻璃管中從一段向另一端緩慢移動。這樣，避免了氣泡在豎直放置的玻管中受液體壓強的影響體積發生變化，速度發生變化，減小了實驗的誤差。從而，使實驗結果更能得出勻速的結論。

第二，可以在豎直放置的玻璃管中，將氣泡改為一小截圓柱形石蠟，因固體的體積受水的壓強變化的影響十分微弱，從而，可以確保石蠟塊在注水（或者食用油）的玻璃管中近似地做勻速運動。

綜上所述，對于《勻速直線運動》的探究性實驗教學，如果能在計時方式與操作方法上做如上改進，實驗數據才更加精確。