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《是線性關系,還是非線性關系?——牛頓第二定理實驗課題中的疑難問題‖教研分享系列420》和《到底是偏大,還是偏小——以牛頓第二定理為情境的實驗題再討論‖教研分享系列424》兩文均是在與同學網路交流雜記錄而成。前者推出后,又引出了另一個問題:“遠小于”如何確立?比如,在牛頓第二定理中,細繩拉力近似等于掛物重力,要求貨車質量遠小于掛物質量,這么貨車質量比掛物質量大多少就可視為“遠小于”呢?確定此定量關系的根據又是哪些?
就這個問題,四川李建勛老師、山東潘烽老師參與了幾句討論。
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李老師是實驗大神,李老師從實際實驗角度提出,貨車質量起碼要小于掛物質量的10倍,才可以視為“無窮大”。號主依據單位所在中學實驗室的情況,貨車質量恐怕為500g左右,掛物質量就只能從0—50g內變化。按照李老師實驗經驗,這個條件很難協調達到。號主避免實驗室條件,就李老師提出的10倍標準,根據何在呢?號主猜想,李老師是按照學校化學實驗中容許的相對偏差慣常約定之10%、5%得出的推論:即10倍、20倍的推論。并且也有老師提出6倍說法,號主實時交流時覺得李老師的說法具有挺好的根據。
潘老師提出“要看精度要求”的觀點,也是十分有啟迪意義的。“遠小于”,可視為一種“模型”(條件模型),而建構為某種模型,就是要看問題性質和精度要求。
幾句交流后,號主總覺得問題研究還很做作,于是結合教學實際確定了一個根據:勾畫a=F/(M+F/g)函數圖線,其中F=mg,看此圖線的特點,如幾乎為直線,則表明M遠小于m。
為了更好地研究,號主選擇了網路在線畫圖工具。
首先勾畫了貨車質量M=10m(m
為掛物最大質量,即1kg,也即F<10N
)時的函數圖線,此圖線肉眼絕對看不出是曲線;于是又畫了M=6m時的函數圖線,仍然這么。
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號主心有不甘,又畫了M=2m時的情況,此時才覺得是一條曲線。但是,實際實驗中,如不考慮其他實驗偏差的情況,描畫出的五、六個實驗數據點,恐怕還是會擬合成直線,也就是說此時仍然接近為一條直線。
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從這個意義上而言,M>2m即可視為一條直線了,這就“回答”了號主實時交流時的一個問題了:
為何網路上的實驗其實都做到了貨車質量遠小于掛物質量?
就這個問題,號主和廣東一位老師都懷疑網路實驗(包括教材實驗)可能存在歪曲實驗數據之嫌。而如今看來,并非這么。
但是,用這樣的擬合直線的斜率估算貨車質量,偏差肯定不小,甚至可達到50%的相對偏差。因此,我們甚至可以得出這樣的觀點:通過圖象擬合直線法探究規律所得實驗推論存在巨大的或然性。
至此,雖然問題線索模糊不清了,用擬合直線法無法確立牛頓第二定理實驗下的“M遠小于m”這一條件。
但是,號主靈感頓現物理實驗小車質量遠大于鉤碼,可作一條比較圖線,即a=F/M圖線,F最大值分別=1/2、1/6和1/10Mg圖線。
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從圖中可以聽到,當F較大時物理實驗小車質量遠大于鉤碼,曲線與正比列直線“分離”,較小時,幾乎“重合”。乍一看上去,M與m的倍率較小時,很快就“分離”了,實質不然,細致剖析三條圖線幾乎是一致的,當F>1/15Mg左右才開始“分離”。
由此可見,運用擬合直線斜率估算貨車質量,貨車質量應該是掛物質量的15倍以上才會確保試驗偏差足夠小。換句話說,當貨車質量>掛物質量的15倍時,視為無窮大是十分合理的。當掛物質量的6倍<貨車質量<掛物質量的15倍時,按照實驗數據所擬合的圖線雖然看起來是一條直線,但用此擬合直線的斜率表示貨車質量,實驗偏差可能十分大,檢測值將偏大。
通過這次較深入的研究,號主得到了一個較大的意外收獲,即按照實驗數據擬合直線法探究化學規律得到的實驗推論,可能須要持有提防性指責。
其實,號主對牛頓第二定理實驗的認知似乎也有了更深刻、更正確的“數據”定量認知。