从一个长度测量培训实例看科学测量思维培养

徐月明

(浙江外国语学院,浙江杭州 310012)

科学研究从测量开始.长度的测量是最基本的科学测量,特别是刻度尺的使用和读数方法,是使用温度计、天平以及电子仪表等有刻度仪器、仪表的基础.在科学课程的教学中,首先会进行长度测量的基本训练.

由于许多科学教师自身对科学测量思想理解不够,在长度测量的教学中,一般只会按照教材的教学内容进行,对为什么这样测量的科学思想分析不够.学生只关注测量的步骤和结果,而对测量的科学思想理解不够深入,这对以后科学实验中的测量会带来负面的影响.因此,首先要帮助教师掌握科学测量的思想和方法非常有必要.以下正确使用刻度尺进行长度测量的教学案例是对科学教师进行科学测量培训中的一个实例,应该说这对于科学教师进行长度测量实验教学中帮助学生正确理解科学测量思想,培养认真、细致等严谨的科学态度和实事求是的科学精神会有益.

1 测量任务

利用刻度尺(米尺)测量:①1张A4纸的宽度,②实验课桌的高度,③1张A4纸的厚度.

测量仪器:刻度尺(米尺)1把(最小分度1 mm).

测量材料:A4纸2张,1张为被测,1张记录.

其他需要辅助材料、工具(可以提出).

测量任务设计思想:测量是指为确定被测量对象的量值而进行的被测物与仪器相比较的实验过程.测量分直接测量(被测量和测量仪器直接比较,得出被测量量值的测量)和间接测量(由一个或几个直接测得量值经已知函数关系计算出被测量量值的测量),①、②为直接测量,③为间接测量.测量值离散程度大小对测量方法也会有变化,①被测量为标准物,测量值离散程度较小;②被测量为一般物,测量值离散程度较大.设计这些测量任务就是希望通过本次测量实例比较全面把握科学测量思想.

2 测量方法与数据

2.1 测1张A4纸的宽度

①被测物与仪器的相对位置.被测物(A4纸)与仪器(米尺)相对位置尽可能靠近,避免视差.可以把A4纸直接覆于米尺之上.左边与某一刻度线平行并与刻度线对齐(目光正对时),右边与某一刻度线平行读数(目光正对时).

②选择测量起点.测量起点可以自由选取,不需要一定从零开始,零刻度线有时会磨损,选择不同的刻度线为起点也可以避免测量值心理数据期待.

③测量次数.由于被测物属于标准物,测量值的离散程度小,一般一个测量者只需测量上下两边即可.为避免测量者测量和读数习惯带来误差,建议同组测量者也同样测量2次,取平均值.

④正确读数和记录.刻度尺(米尺)的最小分度是毫米,读数时可以估读到刻度尺最小分度的十分之几.事先设计读数表,把测量数据记于读数表中.表1为某一实验小组实测值.

表1 A4纸宽度测量数据表

2.2 测实验室课桌的高度

①测量实验课桌的高度应该是课桌桌面距地面的垂直距离,刻度尺与课桌桌面的垂直与否是决定测量值正确与否的关键.可以采用多种方法,例如挂铅垂,三角尺桌面直角等,也可以通过实验合作者目测垂直.

②测量起点是否是零刻度线,注意零刻度线是否磨损,是否需要补偿和扣减.

③由于被测物属于一般物,测量值的离散程度可能较大,需要从课桌的不同位置进行多次测量,建议在课桌的四个角位置进行测量.同时为避免测量者测量和读数习惯带来误差,建议同组测量者应该交换角色(目测垂直和读数)进行测量,取平均值.

④测量数据.两人分别在实验桌4个角位置进行4次测量,测量数据记录在事先设计的读数表中.表2为某一实验小组实测值.

表2 实验课桌高度测量数据表

2.3 测1张A4纸的厚度

用刻度尺(米尺)直接测量一张纸的厚度显然难以精确测量,引导学生认识实验中经常会用到“以积累取平均值”的方法来测量.用剪刀把1张A4纸剪裁成64等份,选取60等份叠放在实验桌面,选木块叠压,测量出60张纸的累计厚度,计算出1张A4纸的厚度.表 3为某一实验小组实测值(60张纸)

表3 A4纸厚度测量数据表

3 科学测量思想分析

(1)科学测量的目的

任何物质都有自身的各种各样的特性(例如,长度、温度、时间、电流等),反映这些特性的量所具有客观的真实数值,被称为真值.测量的目的就是希望获得真值.但是由于测量的方法、仪器、环境和测量者自身素质都会存在某些不理想的情况,因此,测量不可能是完全精确的.在绝大多数情况下,测量结果与客观存在的真值之间总有一个差异,这个差异就是测量误差.科学测量就希望尽量减少测量误差.

(2)测量误差的来源

为了减少测量误差就需要分析测量误差的来源.对测量误差的来源,可以概括为5个方面:①测量理论.现代科学技术发展一个突出的特点是测量者可以选用许多不同的测量方法,所依据的科学理论常常有很大的差别.测量理论决定测量精确度.例如本实验中的测量方法,对标准物A4纸宽度的测量,测量值离散程度较小,只需测上下两边;对实验课桌高度往往不够标准,测量值离散程度较大,就需要在课桌的多个位置进行测量.对 A4纸的厚度测量采用累计测量时不是采用A4纸折叠后测量(难以压实)而需要剪成小片叠加压实测量.②测量仪器.受经济条件、测量成本和方便性的制约,仪器的分辨率、准确度差异很大.应该记住,任何一个测量的仪器都会或多或少地产生误差.例如同样测量长度,用刻度尺测量比用游标卡尺测量精确度显然不可比.测量仪器是测量精确度的保证.③实验装置.是指根据实验测量理论构建的实验测量中的实验材料、设备、仪器等的集合.例如本实验中刻度尺与待测物之间的相对位置放置.起点不从零刻度开始,可以避免刻度尺尺端磨损引起的误差,把待测纸放在刻度上,可以避免刻度线与待测物不直接相邻而带来的视差,等等.④测量条件.测量所具备或处于的状况,包括测量环境要求,仪器正常工作的要求,仪器的反应时间,等等.⑤测量者.“我们的身体是我们的第一个测量仪器”,测量人员的分辨能力、反应速度、感觉器官差异、情绪变化、操作经验等都会影响测量的正确性.因此,我们需要不同的测量者的多次测量的比较和求平均.误差理论告诉我们,测量次数越多,被测量值的真值落在误差范围内的可能性越大,n=8,该可能性为95%[1].

(3)测量读数与测量结果的表示

正确读数是测量的关键.在初中阶段教科书不要求估读和误差分析,但在教科书上以“思考”的形式提出“《科学》书的宽度在18.3 cm到18.4 cm之间,你应该怎样读数?”估读的思想.在高中物理实验中,“要求学生估读到测量仪器最小分量的十分之几”.测量过程中的估读可以提高测量的精确程度.科学教师应该会估读,并能够指导学生正确读数.刻度尺(米尺)的最小分度是mm,估读到测量仪器最小分量的十分之几,因此,我们用刻度尺测量的读数估读位为mm的10分位,即mm后1位.例如,A4纸宽度的读数为21.01 cm.

用“以积累取平均值”的方法测量一张A4纸的厚度到底应该积累多少张纸呢,原则上应该纸张数多一点取平均较好.那么至少取多少张呢?积累纸张数用米尺测量至少大于1 mm,mm位为正确位,mm后为估读位,保证有两位有效数字.在科学实验中把由可靠数和最后一位可疑数组成的数字叫做有效数字,可疑数就是上面所说的估读数,有效数字有一定的计算法则[2].为了保证mm位为正确数明显高于mm后估读数带来的偏差较小,应该保证mm位为正确数在5 mm以上(用刻度尺测量的最大误差为最小分度的1/2,因此最大相对误差＜0.5 mm/5 mm=10%).用剪刀把1张 A4纸剪裁成64等份,等份纸面积已经很小,再小可能影响叠压的稳定性.因此,选取其中的60等份叠放在实验桌面,选木块叠压,测量出60张纸的累计厚度(5 mm以上),计算出1张A4纸的厚度.

用表格记录数据是处理实验数据的基本方法,简洁且清晰.首先要求学生要事先设计好数据记录表,这是科学测量的基本要求,反映了科学实验的有目的性和认真、细致、严谨的科学态度.测量数据不能随意更改,以保证科学数据的原始性.数据记录表应包括测量量的名称、代号、单位,一般单位放在括号中.也可以把相应的计算放在表中.

测量结果的表示应该包括数值、误差和单位3个部分.通常把测量结果写成±Δx的形式,其中是测量值(可以是多次测量的平均值,也可以是单次测量的结果),Δx是测量误差,Δx的值一般都只取一位,而且应该跟测量值的最后一位对齐.为了保证误差范围的有效性,Δx的值一般只进不舍.单位是量度的基础,没有单位的实验记录是没有意义的.以下是科学测量结果的严格表示,在初中科学中不需要采用,但作为科学教师我们需要明确这样的表示方法.

A4纸宽度测量结果为:21.01±0.02 cm

课桌椅高度测量结果为:80.14±0.04 cm

A4纸厚度测量结果为:0.098±0.001 mm

长度的测量作为其他测量的基础,长度测量所经历的科学探究过程也是学习“科学探究”的活生生的例子,作为科学教师首先是自己充分认识和掌握科学测量的基本思想,才能保证高质量地指导学生正确使用刻度尺,为运用其他测量工具进行测量创造良好的开端.

1 杨介信,张大同.中学物理实验大全.上海:上海教育出版社,1995.7

2 杨述武.普通物理实验.北京:高等教育出版社,2000.19