徐美蓉

1 “測量固體的密度”教學目標分析

《物理課程標準（2011年版）》提出：“為了適應時代發(fā)展需要，義務教育物理課程應體現(xiàn)物理學的本質，反映物理學對社會發(fā)展的影響；應注重學生的全面發(fā)展，關注學生應對未來社會挑戰(zhàn)的需求；應發(fā)揮在培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)方面的重要作用。”此階段的物理課程，不僅應注重科學知識的傳授和技能的訓練，而且應注重對學生學習興趣、探究能力、創(chuàng)新意識、科學態(tài)度、科學精神等方面的培養(yǎng)。

蘇科版初中物理教材《密度知識的應用》一節(jié)安排了學生實驗——測量物質的密度，要求選擇一個固體，測量其密度。要求“學會測量液體或一些形狀不規(guī)則的固體的密度”、“嘗試用密度知識解決簡單的問題，能解釋生活中一些與密度有關的物理現(xiàn)象”。本課不僅能培養(yǎng)學生的技能，鍛煉學生的思維，還能培養(yǎng)學生應用物理知識解決問題的能力，體現(xiàn)了新課標“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念。

2 “測量固體的密度”實驗設計

在社會生活和現(xiàn)代科學技術中，利用密度知識來鑒別物質、間接測量物體的質量或體積等，有一定的現(xiàn)實意義。常見的測量固體密度的方法如下（以測量小石塊的密度為例）。

2.1實驗步驟

（1）調節(jié)天平平衡，用天平測出小石塊的質量m。

（2）在量筒中倒入適量的水，測出水的體積V₁。

（3）用細線系好小石塊，放入盛有水的量筒中，測出總體積V₂。

（4）小石塊的體積為V₂-V₁。

（5）小石塊的密度為p=m/V=m/V₂-V₁。

2.2實驗數(shù)據(jù)記錄及處理

收集其中一組學生的實驗數(shù)據(jù)，見表1。

學生根據(jù)每次算出的小石塊的密度，求出小石塊的平均密度：

這是初中物理計算物理量時常用的計算方法，多次測量取平均值以減小測量誤差。

3 “測量固體的密度”實驗誤差分析

由于測量儀器、測量方法、測量條件和測量人員水平以及種種因素的局限，誤差總是存在，不可避免。在物理教學中，經(jīng)常采用第一種方法來測量固體的密度，對第一種實驗方案誤差分析如下。

3.1小石塊的質量誤差分析

該實驗在測量小石塊的質量時采用的是秤量為200g、感量為0.2g的JPT-2型架盤天平。根據(jù)實驗方案，小石塊的質量能比較準確地被測出，但實驗數(shù)據(jù)還是有所偏差，可能是讀數(shù)時存在誤差或天平本身存在系統(tǒng)誤差。小石塊的質量誤差計算如下：

用貝塞爾公式計算任意一次質量測量值的標準差為：

通過計算可知，小石塊質量的測量誤差為0.0017，其中該誤差因素本身的誤差為0.08，相應的誤差傳遞系數(shù)為0.22。

誤差分析如下：

（1）由于天平的制造、調整和實驗時的環(huán)境、溫度等原因，一般天平的兩臂總是不嚴格相等。因此，當天平平衡時，砝碼的質量和游碼所示質量之和并不完全等于物體的質量。為消除這種誤差，可以利用杠桿原理進行檢測，求出天平臂長之比，從而做出更精確的測量。

（2）砝碼的誤差。由于使用時間長，砝碼可能在操作過程中有磨損、生銹等各種現(xiàn)象發(fā)生，對測量結果也會有一定的影響。另外，托盤天平的靈敏度較低，也是一部分影響原因。

3.2小石塊的體積誤差分析

在測量小石塊的體積時，采用了間接測量的方法。為使測量結果更加準確，改變了水的量，但從實驗數(shù)據(jù)看出，小石塊的體積每次測量的結果也有一定的誤差。而測量的體積不僅包括小石塊的體積，細線也占了一定的體積，所以測得的體積偏大。對小石塊體積的計算及其誤差分析如下：

通過計算可知：小石塊體積的測量誤差為0.16，因素本身的誤差為0.3，相應的誤差傳遞系數(shù)為0.54。

誤差分析：

（1）在測量小石塊的體積時，由于細線也占有一定的體積，導致測出的小石塊的體積存在誤差。為減少這部分誤差，細線越細越好，浸入液體中的細線越少越好，而且細線的吸水性也要進行考慮。

（2）小石塊本身可能吸附了一些雜質，對其體積的測量也有一定的影響。

3.3小石塊的密度的計算

根據(jù)測量結果，小石塊密度的置信區(qū)間為（2.3，2.7），相對不確定度為8%。據(jù)分析，體積誤差因素對實驗結果總誤差的貢獻較大。

4 實驗改進

在實驗過程中，要減小實驗誤差，可以用更加精確的測量儀器，如用電子天平來測量小石塊的質量，也可以采用多種方法進行實驗，如可以用測力計或力傳感器測量小石塊的重力，從而算出小石塊的質量。還可以利用杠桿的平衡條件測量小石塊的重力。

根據(jù)計算，小石塊的體積誤差對實驗結果的影響較大，所以在實驗時要盡量減小小石塊體積的誤差，如用較細的細繩系住小石塊、選用比較干凈的小石塊進行實驗，減少雜質對實驗結果的影響等。

除了以上方法測量小石塊的密度，還可以利用阿基米德原理來測量小石塊的密度，實驗步驟如下。

（1）用細繩系住小石塊，掛在彈簧測力計上，靜止時測出小石塊的重力G。

（2）在燒杯中倒入適量的水，將小石塊慢慢浸沒在水中，靜止時讀出彈簧測力計的示數(shù)F。

5 結束語

本實驗方案只用了一種測量工具——彈簧測力計，也可以用力傳感器來代替彈簧測力計。由于采用了較精密的測量工具，該測量方法實驗誤差小，而且避免了細繩的體積對實驗結果的影響。當然，在測小石塊重力時，繩子的重力也對測量結果有一定的影響。誤差不可避免，具體選擇哪種方法進行實驗，還要考慮學生認知特征和思維特點。