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牛顿第二定理实验中要求的“远小于”应怎样确立?‖教研系列426

更新时间:2024-11-07

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《是线性关系,还是非线性关系?——牛顿第二定理实验课题中的疑难问题‖教研分享系列420》和《到底是偏大,还是偏小——以牛顿第二定理为情境的实验题再讨论‖教研分享系列424》两文均是在与同学网路交流杂记录而成。前者推出后,又引出了另一个问题:“远小于”如何确立?比如,在牛顿第二定理中,细绳拉力近似等于挂物重力,要求货车质量远小于挂物质量,这么货车质量比挂物质量大多少就可视为“远小于”呢?确定此定量关系的根据又是哪些?Mbp物理好资源网(原物理ok网)

就这个问题,四川李建勋老师、山东潘烽老师参与了几句讨论。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

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李老师是实验大神,李老师从实际实验角度提出,货车质量起码要小于挂物质量的10倍,才可以视为“无穷大”。号主依据单位所在中学实验室的情况,货车质量恐怕为500g左右,挂物质量就只能从0—50g内变化。按照李老师实验经验,这个条件很难协调达到。号主避免实验室条件,就李老师提出的10倍标准,根据何在呢?号主猜想,李老师是按照学校化学实验中容许的相对偏差惯常约定之10%、5%得出的推论:即10倍、20倍的推论。并且也有老师提出6倍说法,号主实时交流时觉得李老师的说法具有挺好的根据。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

潘老师提出“要看精度要求”的观点,也是十分有启迪意义的。“远小于”,可视为一种“模型”(条件模型),而建构为某种模型,就是要看问题性质和精度要求。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

几句交流后,号主总觉得问题研究还很做作,于是结合教学实际确定了一个根据:勾画a=F/(M+F/g)函数图线,其中F=mg,看此图线的特点,如几乎为直线,则表明M远小于m。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

为了更好地研究,号主选择了网路在线画图工具。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

首先勾画了货车质量M=10m(mMbp物理好资源网(原物理ok网)

为挂物最大质量,即1kg,也即F<10NMbp物理好资源网(原物理ok网)

)时的函数图线,此图线肉眼绝对看不出是曲线;于是又画了M=6m时的函数图线,仍然这么。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

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号主心有不甘,又画了M=2m时的情况,此时才觉得是一条曲线。但是,实际实验中,如不考虑其他实验偏差的情况,描画出的五、六个实验数据点,恐怕还是会拟合成直线,也就是说此时仍然接近为一条直线。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

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从这个意义上而言,M>2m即可视为一条直线了,这就“回答”了号主实时交流时的一个问题了:Mbp物理好资源网(原物理ok网)

为何网路上的实验其实都做到了货车质量远小于挂物质量?Mbp物理好资源网(原物理ok网)

就这个问题,号主和广东一位老师都怀疑网路实验(包括教材实验)可能存在歪曲实验数据之嫌。而如今看来,并非这么。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

但是,用这样的拟合直线的斜率估算货车质量,偏差肯定不小,甚至可达到50%的相对偏差。因此,我们甚至可以得出这样的观点:通过图象拟合直线法探究规律所得实验推论存在巨大的或然性。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

至此,虽然问题线索模糊不清了,用拟合直线法无法确立牛顿第二定理实验下的“M远小于m”这一条件。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

但是,号主灵感顿现物理实验小车质量远大于钩码,可作一条比较图线,即a=F/M图线,F最大值分别=1/2、1/6和1/10Mg图线。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

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从图中可以听到,当F较大时物理实验小车质量远大于钩码,曲线与正比列直线“分离”,较小时,几乎“重合”。乍一看上去,M与m的倍率较小时,很快就“分离”了,实质不然,细致剖析三条图线几乎是一致的,当F>1/15Mg左右才开始“分离”。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

由此可见,运用拟合直线斜率估算货车质量,货车质量应该是挂物质量的15倍以上才会确保试验偏差足够小。换句话说,当货车质量>挂物质量的15倍时,视为无穷大是十分合理的。当挂物质量的6倍<货车质量<挂物质量的15倍时,按照实验数据所拟合的图线虽然看起来是一条直线,但用此拟合直线的斜率表示货车质量,实验偏差可能十分大,检测值将偏大。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

通过这次较深入的研究,号主得到了一个较大的意外收获,即按照实验数据拟合直线法探究化学规律得到的实验推论,可能须要持有提防性指责。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

其实,号主对牛顿第二定理实验的认知似乎也有了更深刻、更正确的“数据”定量认知。Mbp物理好资源网(原物理ok网)

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