练习分析实验数据
【目的和要求】
通过对一个具体事例的处理,培养学生对实验数据进行分析并得出规律的能力,从而提高学生的实验技能和素质。
【实验课题】
盛水圆柱形容器底部有一圆形排水孔(如图1.8-1),对于容器中深度为h0的水来说,从容器中排尽水所需的时间t与孔的直径d的关系是什么?请对表中的实验数据进行分析,得出t和d之间的关系。
表 1
排尽水的时间t(秒) |
30.0 |
25.0 |
20.0 |
15.0 |
10.0 | |
1.5 |
73.0 |
66.8 |
59.9 |
51.9 |
43.5 | |
2.0 |
41.2 |
37.6 |
33.6 |
29.1 |
23.7 | |
3.0 |
18.4 |
16.8 |
15.0 |
12.9 |
10.5 | |
5.0 |
6.8 |
6.1 |
5.4 |
4.7 |
3.9 |
【分析过程】
1.由表1给出的数据可以看出,容器中的水深一定时(如h0=30.0厘米),排水孔的直径越大,水流尽所需的时间越短,但二者之间的函数关系无法看出。 SPAN>
2.描绘当h0一定时,t和d之间的关系图线
为了找出t和d之间的函数关系,根据表1中的数据作t—d曲线(图1.8-2为h0=300厘米时,t与d的关系图线)。从这条曲线不能看出t和d之间的函数关系,但该曲线与双曲线相类似。会使我们想到t和d之间是否满足反比关系。判断t和d之间是否存在反比关系的方法是作出t和1/d的关系曲线,若该图线是直线则t和d之间满足反比关系。
3.描绘h0一定时,t和d之间的关系图线
由表1得出表2和图1.8-3。
表 2
d(厘米) |
1/d(厘米-1) |
t(秒) |
1.5 |
0.67 |
73.0 |
2.0 |
0.50 |
41.2 |
3.0 |
0.33 |
18.4 |
5.0 |
0.20 |
6.8 |
由图1.8-3可以看出t与1/d不成正比(判别t与d是否成反比,还可以看t与d之乘积是否为一常数。如果各次t与d之乘积都相同,则t与d< /SPAN>之间满足反比关系)。
4.进一步探究t和d的关系
为了说明t与d之间的关系,可以作这样的假想:水流尽的时间应该和小孔的面积有关,而且可能是反比关系,也就是说尽可能与1/d2成正比。为检验这一假设是否成立,作t-1/d2的图象(图1.8-4)。
表 3
d(厘米) |
1/d2(厘米-1) |
t(秒) |
1.5 |
0.44 |
73.0 |
2.0 |
0.25 |
41.2 |
3.0 |
0.11 |
18.4 |
5.0 |
0.04 |
6.8 |
由图1.8-4可以看出t与1/d2成正比关系,即t与d2成反比关系,即
t=k(1/d2)
k为比例系数,即图线的斜率.由图中可得k=167。
【注意事项】
本节内容重点在引导学生对所给的实验数据进行分析和推理。对于实验装置和取得数据的方法应当介绍,但不必重复实验进行测量,以免影响学生对数据的分析。为了给学生以感性认识,正确地引导学生,可以适当让学生作盛水容器和排水过程的实验:用广口瓶盛满水后用玻璃片盖住瓶口翻转,观察瓶口放开的大小与水流尽的时间,定性得出排水孔大,放水时间短。
【思考题】
1.分析实验数据过程中,当发现t与d之间不存在正比关系后,为什么首先想到研究t与1/d的关系,而不会考虑t与d2的关系?这种思考方向是建立在什么基础上的?
(提示:数据分析要从实际出发,不能只从数学的角度思考。问题中时间t应该随d的增大而减小,决不会出现d越大t越长的情况,故不会考虑t与d2的关系。)
2.根据本节的分析方法,研究在排水孔大小不变的情况下,排尽水的时间t与容器中起始水深h0的关系。
(提示:先分析t与h0的关系,再分析t与h02,t与h03的关系,最后得出t与1/d成正比的结论。思考:为什么不分析t与1/h0的关系?)
本实验有一定的难度,对学生的能力要求较高,且与后面实验无直接联系,可在以后适当时间采用。
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