关于《匀速直线运动》探究实验教学的研究

摘 要：在“研究充水玻璃管中气泡的运动规律”探究性实验中，会遇到实验误差较大的问题。对此，课本是借助于图像进行处理，而老师多是简单归之于“误差”。该实验要减小误差，其实只要改进计时方法，运用“充水玻璃管中气泡的运动规律”来说明匀速直线运动即可达到较好的效果。

关键词：直线运动；匀速；误差；计时方法；实验改进

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2012）09-0019-03

苏教版八年级物理上册第五章第三节，教材安排了探究性实验“研究充水玻璃管中气泡运动规律”，通过探究物体在相等的时间内通过的路程相等来说明匀速直线运动。在过去多年的教学中，我们都认为学生在测量过程中，计时、读数等存在的误差是造成实验结果偏差的主要原因。笔者对计时方式影响实验结果的情况进行了对比探讨，深入地剖析了几种计时方式产生误差的原因，发现课本介绍的实验方法对说明匀速直线运动存在问题（因为玻璃管竖直放置，气泡的运动并不是匀速直线运动）。现结合对《匀速直线运动》探究性实验谈谈自己的见解。

一、几种计时方式测得实验数据的比较

教材中具体的探究性学习内容要求为：

1.在内径约为1cm、长约为50cm的玻璃管中注满水，管内留一个小气泡。

2.将玻璃管翻转后竖直或倾斜放置，观察气泡的运动情况，如图1所示。

3.与同组的同学讨论：如何测出气泡通过10cm、20cm、30cm和40cm所用时间，并记下本组设计的方案。

4.按照设计的方案做一做，把测得的数据填入下表中，并计算出各区间的时间和相应的速度。

5.以路程s为纵坐标，时间t为横坐标，画出s-t图像。

6.总结、交流气泡运动规律：气泡在上升一段路程后，运动的路程和时间近似成______（正/反）比，运动的速度可以看做是______（改变/不变）的。

在课堂教学中，我们发现，学生分组实验得到的实验结果都存在较大的差异，教师对此笼统地归结为实验误差，但没有讲清楚造成误差原因，有时甚至把一些错误性操作也归结为误差。对此，笔者通过不同的实验方法探析了实验误差产生的原因和减小误差的方法。具体做法如下：

为了进行数据对比，实验采用了控制变量法：用同种实验器材，对同一个实验过程进行实验，只改变计时方式。

计时方式一（分段测量法）：5名学生为一组（包括第三种计时方式的计时员甲）合作探究，学生甲负责观察玻璃管内气泡的运动情况，并指挥其他四名学生（乙、丙、丁、戊）分别进行计时。当气泡由如图所示位置上升到A位置时发出口令：“计时”，四名计时学生一起按下秒表；当气泡上升到B点时发出口令：“到”，则乙同学按下秒表；当气泡上升到C点时发出口令：“到”，则丙同学按下秒表；依此类推，乙、丙、丁、戊分别记录气泡从A点出发到达B、C、D、E处所需的时间。然后，再重复实验2次。

方式一实验记录数据如下：

计时方式二（记号法）：在第一组学生实验的同时，另一名同学“乙”一手持表，一手拿笔，当气泡运动到A处时，甲同学发出口令：“计时”，“乙”同学也按下秒表开始计时；当气泡到达B处时，甲发出口令：“到”，“乙”同学用笔在秒表指针处做一记号，依此类推（如图2所示），然后读出时间数据。

计时方式三（直接持续测量法）：甲同学观察气泡运动情况并发出口令的同时自己也计时，使用的计时工具为可以连续计时的秒表如图3（或者用学生计算器、手机等），当气泡上升一段距离到达A处时开始计时，到达B、C、D、E处时分别按一下按钮，但眼睛始终观察气泡的运动。

下面任意抽取同一次实验三种不同计时方式的三组数据比较分析：

以数据的平均值为参照线，比较所测时间的变化情况：

图像分析：

由图像分析可以看出，第一种测量方式测得的时间变化是波动性的。不难猜想，气泡在玻璃管中的上升运动，经过连续相等路程的时间要么相等、要么连续增大或连续减小，即应是线性变化的。由此可见，第一种方式测量的数据与气泡上升运动的规律不符。第二种与第三种测量方式，尤其是第三种测量方式，结果最接近线性变化，最接近气泡上升运动的真实情况。因此，笔者认为，第三种测量时间的方式更适合于本实验。

那么，是什么原因造成三种不同测量方式产生不同的结果呢？第一种方式测得数据之所以波动大，是由于四名计时学生对口令的反应时间不同，造成绝对与相对误差都较大。因为正常人对口令的反应时间为0.15s ～ 0.4s，在第一种测量方式中的第一组数据误差来源于两名同学，即甲同学与乙同学；而后面三组数据与三个同学有关，第二组数据与甲、乙、丙有关；第三组数据与甲、丙、丁有关；第四组数据与甲、丁、戊有关。由于三者的反应时间不同，因而造成了有的数据偏大，有的数据偏小。

第二种测量方式是两名同学之间的配合，一般地讲，两者之间的反应时间差相对而言是较固定的，对实验有一定的影响，而更主要的误差存在于乙同学观察秒表的指针运动并用记号笔在表面做记号的准确度。

第三种计时方式是一个人操作，从观察到大脑支配手按秒表，前后一致，因此，误差最小。

所以，笔者认为，在《匀速直线运动》这个探究实验中，要让实验的误差最小，可使用第三种方式测量时间，更利于学生得出较为精确的结论。

因此，在物理教学中，我们不但要培养学生在探究性学习中的合作能力、动手能力，还要让学生在探究性学习中提高分析问题、解决问题的能力，学会在实践中改进、在实践中创新。

二、实验中如何让实验最接近匀速运动

经过多次反复实验验证，气泡在试管中的运动并不是匀速直线运动，从上面表格三次不同的实验结果也可以看出。那么到底是什么原因造成在玻管、液体、气泡、倾斜角度不变的情况下，各相同距离，气泡上升运动所用的时间不等呢？

笔者在准备实验阶段偶然发现，同样的装置，同样竖直放置，但在不同的玻璃管中气泡上升的快慢不同。甚至在同一玻管中，不同的气泡上升的快慢也不一样。

在玻管不变、液体不变，都竖直放置的情况下，改变气泡的大小，实验的结果如下：

由此可见，在其它因素不变的情况下，气泡越大，上升相同距离所用的时间越长。

这就不难解释为什么在上面进行的实验中，各相同距离，气泡越往上所用时间越长的问题了。

笔者认为：由于气泡在上升的过程中，所处的液体深度越来越小，其所受到的液体压强就越来越小，气泡的体积就越来越大，上升时间也就越来越长。因此，气泡上升起初时是加速，后来逐渐变为减速。

那么，如何确保该实验较能准确的反映《匀速直线运动》的情况，笔者认为，可以有两种解决办法：

第一，在玻璃管内封闭一小气泡，将玻璃管水平放置在桌面上，然后，稍稍抬起试管的另一端，让小气泡在玻璃管中从一段向另一端缓慢移动。这样，避免了气泡在竖直放置的玻管中受液体压强的影响体积发生变化，速度发生变化，减小了实验的误差。从而，使实验结果更能得出匀速的结论。

第二，可以在竖直放置的玻璃管中，将气泡改为一小截圆柱形石蜡，因固体的体积受水的压强变化的影响十分微弱，从而，可以确保石蜡块在注水（或者食用油）的玻璃管中近似地做匀速运动。

综上所述，对于《匀速直线运动》的探究性实验教学，如果能在计时方式与操作方法上做如上改进，实验数据才更加精确。