建立理想模型 提高測量精度

顧炳峰 相玉坤

摘 要：在估測大氣壓強實驗中，“估測”必然帶來較大的誤差.因為測量的最終目的還是要盡可能接近真實值，所以教師也會帶領學生分析“摩擦力”“空氣未排干凈”等因素導致的誤差可能.由于量程問題，在實驗室用彈簧測力計測量大氣壓力的過程中的確必須用較細的注射器（例如2.5mL規格）.選擇細的注射器實驗成功率較高，卻帶來了較大的誤差.筆者通過實際測量數據分析，強調對該實驗的改進應關注精度.

關鍵詞：大氣壓強;理想模型;測量精度

文章編號：1008-4134（2019）22-0016 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

在蘇科版物理教材八年級下第十章第三節“氣體的壓強”教學中，關于“估測大氣壓強”實驗，相比人教版教材的實驗設計——“吸盤法”（如圖1所示），蘇科版教材已經改進為通過水平拉動注射器來測量大氣壓強——“注射器法”（如圖2所示）.兩者原理相同，都是根據p=F/S，利用二力平衡的知識測量大氣壓力，“吸盤法”是在將吸盤拉脫的瞬間讀數，“注射器法”是發現活塞開始拉動時讀數.后者解決了前者讀數困難的問題（前者彈簧測力計在運動過程中難以讀數且示數保持時間短，后者讀數時彈簧測力計是靜止的，示數較穩定），又可以避免吸盤重力對實驗的影響.然而“注射器法”實驗中活塞與注射器之間存在摩擦，注射器內空氣是否排干凈，對測量結果也有影響.還有一個問題，就是實驗室用的彈簧測力計量程有限，選用較粗還是較細的注射器，也是實驗成功的關鍵.

4 反思與結論

反思1：“估測大氣壓強”實驗中“估測”意味著可以有誤差，沒有必要非常精確.教師可以帶領學生分析誤差的主要原因有兩點：一是注射器筒壁對活塞的摩擦;二是注射器內空氣未排干凈.倘若在一開始實驗的環節，就要注意到這兩個問題，其實就是失去了這個實驗的意義.這個實驗的目的就是快速地估測出大氣壓強的值.關于該實驗中如何提高測量精度，在時間允許的情況再進行交流評估.

反思2：“估測”并不意味著我們可以不重視誤差的大小.測量的目的就是要盡可能地接近真實值.我們往往希望通過改進實驗器材和方法來減小誤差.筆者通過上述的分析，發現采用更粗的注射器估測大氣壓強誤差更小.

反思3：為什么教材中并未要求用“排水”的方法來排凈注射器內的空氣？因為注射器筒壁對活塞的摩擦會使測量值偏大，而注射器內的小孔內空氣無法排干凈會使測量值變小.這兩個因素同時產生，恰恰能使“估測”誤差更小.當然，這僅僅是快速“估測”前提下的巧合，在分析論證的時候，必須把這兩個因素區分開.

結論：“估測大氣壓強”實驗能讓師生快速地“估測”大氣壓強的值，由于實驗室內彈簧測力計量程有限，為了保證成功率，我們選用了更細的注射器（2.5mL規格），實驗更加快速簡便.然而，如果實驗需要改進，那必定是以增加精度為目的，那就應該盡可能選擇更粗的針筒（例如100mL規格）.測量需要提高成功率，但是并不能意味著要犧牲精度.教師改進實驗應該兼顧成功率和精度，才更有利于教學.忽略次要因素，建立理想模型，是提高測量精度的最好方法.

同時，測量精度的提高也更有利于我們得出物理規律，例如“探究定滑輪工作時的特點”時，由于彈簧測力計的彈簧和秤鉤都有一定的質量，彈簧測力計的示數會略小于繩子受到的實際拉力，解決這個問題的其中一個辦法就是將實驗中所提升的鉤碼質量取大一些，質量越大，彈簧測力計的示數就越接近繩子受到的實際拉力，就更容易得出定滑輪工作時的特點.再如蘇科版教材“探究二力平衡的條件”實驗中，為了忽略卡片自重的影響，我們選用輕質卡片，并增加鉤碼質量是實驗成功的重要前提。忽略次要因素，建立理想模型這一思想方法經常應用于物理教學中，可以提高測量精度，便于得出物理規律，是研究問題的重要方法.

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（收稿日期：2019-06-23）