例谈探究实验中测量的设计技巧—由曹冲称象想到的

1、例谈探究实验中测量的设计技巧由曹冲称象想到的论文导读：我们在设计物理实验时。通过间接的测量达成目的。设计技巧，例谈探究实验中测量的设计技巧由曹冲称象想到的。关键词：实验，测量，设计技巧【情境再现】：曹冲长到五六岁的时候，知识和判断能力所达到的程度，可以比得上成人（如一个成年人）。有一次，孙权送来了一头巨象，太祖想知道这象的重量，询问属下，都不能说出称象的办法。曹冲说：“把象放到大船上，在水面所达到的地方做上记号，再让船装载其他东西（当水面也达到记号的时候），称一下这些东西，那么比较一下（东西的总质量差不多等于大象的质量）就能知道了。”太祖听了很高兴，照这个办法做了，很快就称出了大象的质量。事实

2、上，我们在设计物理实验时，也会经常遇到这样不易直接测量或因测量工具等原因而无法直接测量的物理量，这就要求我们运用一些物理方法和已经掌握的物理知识，通过间接的测量达成目的。下面我就举例谈谈一些做法。一化“无形”为“有形”所谓化“无形”为“有形”，就是将测量中具有主观性的步骤或方案摒弃，而用客观明了的方案代替，使测量更合理更准确。【例1】小敏想比较几种材料（衣服、锡箔纸、泡沫塑料）的隔音性能，除了待检测的材料外，可利用的器材还有：音叉、手机、鞋盒。论文检测，设计技巧。（1）在本次实验中适合做声源的是_你认为另一种器材不适合做声源的原因是_。(2)小敏将声源的音量调整至适当后放入鞋盒,在其周围塞满待

3、测材料,她设想了下面两种实验方案,你认为较好的是_.你不选择另一种方案的理由是_.。 方案A: 站在距离鞋盒一定距离处,比较所听到的声音的响度； 方案B:一边听声音,一边向后退,直到听不到声音为止,比较此处到鞋盒的距离；（3）通过实验得到的现象如图所示，则待测材料隔音性能由好到差的顺序是_。【解析】 （1）手机 用音叉的话响度不容易控制（2）B方案；物理实验的测量力求客观准确，具有可操作性，B方案具备这样的特征；A方案的测量有很大的主观性，因为“响” 与 “较响”没有明确的界限，与测量者的主观判断有很大的关系，这是实验测量所不允许的。（3）泡沫，衣服，锡箔纸。二累积法累积法：在被测量的物理量很

4、小，测量工具无法直接测量时，通常采用将微小的量积累成较大的量进行测量，再计算出平均值的方法。测一张纸的厚度、一枚邮票的质量、细铜丝的直径都可采用这种方法。论文检测，设计技巧。【例2】一卷细铜丝，上面标有d=1.7mm，如果给你一支铅笔、一把毫米刻度尺，你能较准确的测出他们的直径吗？为验证标号是否正确，小华设计出测量细铜丝直径的方案（图2）：a. 取一支铅笔，将细铜丝在铅笔上密绕32圈。b. 用刻度尺测量线圈的长度，如图所示。c. 根据测得的数值，推算细铜丝的直径。（1）小华没有用刻度尺直接测量细铜丝直径的原因是_.(2)如图所示的线圈的长度是_厘米，细铜丝的直径是_毫米。【解析】：（1）细铜丝

5、的直径和刻度尺的最小分度值差不多，如果直接测量，误差会比较大。（2）由于长度要精确到最小刻度的下一位，所以线圈的长度为5.00厘米；这样长的线圈由32圈组成，所以每圈的直径为：5.00厘米32=0.16厘米=1.6毫米(为保证最后的结果精确到毫米的下一位，1.6毫米时四舍五入得结果)。结论：线圈的标号与实际值不一致。【说明】:如果除出的平均值很小，可采用科学记数法。如0.0156毫米可记为1.610-2毫米，以确保精确到到毫米的下一位。三等效替代法以一种清楚直观的模型或简单明了的方法代替一种复杂的现象或过程，以一种易于接受的方式给出复杂问题的答案。这样的方法称为等效替代法。运用这样的方法可以使

6、所要研究的问题简单化，直观化。上面所说的“曹冲称象”就是用的等效替代法。【例3】小华在用蜡烛“探究平面镜成像特点”时，想弄清“蜡烛成的是实像还是虚像？蜡烛的位置和它像的位置有什么关系？它们的大小有什么关系？”【解析】：我们知道：平面镜成的是虚像。【设计实验时我们会遇到这样的困难】：如何看到像在镜后位置，是突破的关键。论文检测，设计技巧。引导学生思考，用玻璃“替代”平面镜进行探究，就可以看见像的位置了。虚像光屏是无法呈现的，怎样才能摸到像呢？能不能用什么去替代像？最好的代替品就是物体本身，用物体替代像进行测量。怎样探究像到镜子的距离与物到镜子的距离？明确了探究内容和方法，需要什么仪器？在这些问题

7、解决后，设计的步骤就清楚了。【实验步骤】：如图3 在竖直放置的玻璃板前面放一支点燃的蜡烛，可以看到它在玻璃板中所成的像，把光屏放在像的位置，不通过玻璃板直接观察光屏上是否有蜡烛的像，从而判断像的虚实。再拿一支没有点燃的同样的蜡烛，竖立着在玻璃板后面移动，直到看上去它跟前面那支点燃蜡烛的像完全重合，这样就可以确定像的位置和像的大小。用刻度尺测量蜡烛和它的像的位置到平面镜的距离，发现二者距离的大小相等。【实验改进】：在研究平面镜成像特点的实验时，会发现蜡烛移动时很难保持竖直状态，而且容易倾倒，影响效果。如果改用光具座做这个实验时，操作就会很简单，完全可以做学生实验。论文检测，设计技巧。操作是这样的

8、：选取一块比蜡烛略高的薄玻璃板，用光具座的两个滑块将玻璃板竖直夹在光具座的中间位置，拧紧滑块下面的固定螺丝，蜡烛是粘在可移动的滑块上。论文检测，设计技巧。实验步骤不变。 五转换法 转换法：有的物理量不便直接测量，有的现象不便直接观察，通过转换为容易测量到与之相等的物理量或与之相关联的物理现象，从而获得结论的方法。对于一些看不见摸不着的现象常常采用此法测量或显示。【例4】积雪对公路行车的危害主要表现在路况的改变，路面积雪经车辆压实后，车轮与路面的摩擦力减小，汽车易左右滑动，同时汽车的制动距离难以控制，当车速过快或转弯过急时，都可能发生交通事故。经专家研究表明：气温不同，积雪的薄厚不同，对汽车的危

9、害也不同，当积雪厚度在5-15cm、气温在0C左右时，汽车最容易发生事故，这种条件下的冰雪常会呈“夜冻昼化”状态，此时护路工人常会在路面上撒大量的盐，以避免这种现象发生，使在相同气温条件下，融化了的冰雪不再结冰，从而减小交通事故的发生。提出问题：撒上盐后，在相同气温条件下，水为什么不再结冰了？(1)请用学过的物理知识，对此现象提出一个合理的猜想，并说出猜想的理由。猜想：_理由:_(2)设计一个实验方案验证你的猜想：(3)交流：除了在路面上撒盐外，还有什么常用的办法可以避免或减少交通事故？这样做的道理是什么？【解析】：（1）撒盐后，降低了水的凝固点。因为水在0结冰，加盐后不结冰，说明其凝固点降低

10、了。（2）【设计实验验证时遇到的困难】：生活中不是什么时候都有低温环境；即使冰箱提供低温环境，但实验时不便观察；【转换与之相等的物理量】：由于同一种物质的熔点与凝固点相同，可以测熔点便可以知道凝固点。论文检测，设计技巧。【实验步骤】：取质量相同的三杯水，一杯中不加盐，第二杯加少量的盐，第三杯加较多的盐，插入温度计将他们同时放入冰箱中冷冻；待结冰后将它们同时取出放在相同的酒精灯上加热；观察并记录它们开始熔化时的温度（熔点）；比较得出结论。（3）为防滑还可以在雪地上撒碳粒；也可以在车轮上绑防滑链。【拓展延伸】：测熔点便可以知道该物质的凝固点；同样，在测量滑动摩擦力时转换成测拉力的大小；比较电磁铁磁性强弱时，转换成比较电磁铁吸引大头针的数目；比较物体动能的大小，转换成比较该物体对另一个物体做功的多少等。【例4】在“研究影响电磁铁磁性强弱的因素”时，设计了如图4所示的电路，实验中通过比较铁钉A、B吸引大头针的多少来判断磁性的强弱。（1）闭合开关后，发现铁钉A比B吸引的大头针的个数多。说明：当电流一定时，线圈匝数越多，磁性越；（2）调节滑动变阻器滑片的位置，使电路中的电流增大，发现铁钉A吸引大头针