学生实验探究百米赛跑中时间差的来源

龚华

(张家港市三兴初级中学 江苏 苏州 215624)

1 实验介绍

(1)课题名称

探究听声音对百米赛跑中计时的影响.

(2)实验目标

物理来自于生活，实验是研究物理的重要方法，希望学生通过身边随手可得的物品、随处可见的现象进行物理探究活动，让他们感受到生活中处处是物理，处处皆学问，以此来调动和激励学生探究科学的兴趣、使其感受科学的魅力，最终培养学生的科学素养．

就这个实验来讲，要让学生知道，百米赛跑中看发令枪的烟和听发令枪的声音计时存在一定的差值，按照理论值来算，应该是等于0.29 s.让学生通过实验，感受这一过程，在这过程中领会实际测量值与理论值不一致的原因，同时体会小组合作的乐趣及取得实验成功的幸福感．

(3)实验内容及仪器

内容为百米赛跑中看烟和听声音的时间差，使用的仪器为秒表.

2 设计思路

(1)人员和时间的确定

本实验在《初中物理》八年级的教学中不是重点内容，但是由于本实验能较好地锻炼学生的实验能力，在农村初中开展不受场地、条件的限制，实验过程简单，因此，我们在物理课以外寻找时间给学生锻炼的机会．通过平时的观察，发现当学生上体育课测试学生成绩时，总有大部分学生在那儿无所事事，和体育教师商量后，决定利用体育课的一段时间开展本实验．在实验时间得到保证后，我们选取了每班14名同学进行实验，别的同学等这14名人完成后再重新开始这个实验，这样既能满足实验的正常开展，也不影响体育课测试的正常进行．

(2)制定计划和设计实验

14名同学中选出一位总负责的组长，由这个组长组织学生讨论实验．明确实验的目的、小组成员的分工、数据的处理．

(3)进行实验

小组按照既定实验计划进行实验，针对实验过程中出现的问题，教师不断地对小组提示，让他们讨论现有的实验方案，找出缺陷，剔除影响实验的因素，不断改进．

(4)实验结果处理

针对实验结果，如果正好等于0.29 s，让学生思考在本实验中有什么收获，还有什么新的问题．如果没有0.29 s，让学生寻找实验过程中还有什么问题，这些问题能否解决，不能解决的原因是什么，还能在这个实验中发现什么新的问题．

3 实验过程

(1)第一次实验

组长将14人分工如下：1人发令，1人记录数据并做简单处理，4人跑步，每一名跑步的同学都有一名同学听声音、一名同学看烟来计时，共计8人．分工结束后，运动员、发令员、记录员各就各位，唯独计时员的位置有很大区别，第一组的两个人离跑道终点很远，第二组两人分别在不同的位置，第三、第四组同学都在跑道边上．看烟的同学都面对运动员，听声音的计时员有的背对运动员，有的面对运动员睁眼或者闭眼．测量结束后，一组数据交到了数据处理同学的手里，这个同学制作了一张表格如表1.

表1 第一次实验数据

原本以为一次就能得出结论的、很简单的实验，但当学生拿到这组数据后都异常诧异，数据中不仅没有接近0.29 s的理论值，甚至出现了自相矛盾的各类数值．

面对这个结果，笔者提示同学，在学习物理的过程中，物理实验应该采取哪些方法？测量数据或者得出结论过程中有哪些方法来总结规律或者减少误差？我们应该从哪些方面来进行改进这个实验？

这下，14名同学议论开了，同学们一致认为，实验是物理研究的重要手段，就本实验而言，刚才的实验过程中有些人站的位置不对，观察的角度不统一，听声音的不在终点线，声音传播距离比100 m长.还有人计时的时候在判断运动员过百米的标准不统一，听声音的人面对运动员闭眼还是背对运动员不统一，这些因素都造成了计时的不精确．在减少误差方面，大家一致认为，对于一名运动员只有一名看烟的和一名听声音的计时，数据少，也容易出现错误，要求增加计时员，减少运动员，对计时结果取平均值减少误差．

(2)第二次实验

组长根据讨论的结果，将14人重新分工，运动员改成2人，计时员增加到12人，一名运动员分别由3名看烟的和3名听声音的同学记录时间，发令和数据记录由教师完成．看烟的同学和同时闭好眼睛听声音的同学都面对运动员交叉在终点线一字排开，都以运动员第一个脚过终点线算计时结束．

做好以上修改后，我们又进行了一次实验，实验结果如表2所示.

表2 第二次实验数据

2号运动员均值/s差值/s听声音/s14.7113.9514.1814.28看烟/s14.2314.3314.1914.250.03

面对第一组接近0.29 s，而第二组依旧实验数据相差很大这个结果，有同学提出，第二组中有明显错误的数据，不能采用这个数据，应该将这个数据去除，这个建议又遭到了别的同学的反驳，因为如果去掉了这一个，取平均值意义不大，应该在数据较多时取平均值，还有同学认为既然我们实验次数不多，可以多测几次，综合组员的建议，我们又多测了几组数据，结果如表3所示.

表3 增测的实验数据

2号运动员均值/s差值/s听声音/s17.8717.6517.6217.71看烟/s17.8217.6317.6617.70.01

后面依次又测了几组数据，结果和上表都差不多，同学们对数据进行了分析，发现虽然统一测量的标准，但是每个人的反应能力不同，每个人判断到达终点始终有差别，这些因素都将影响测量结果，通过大家一致商定，决定将运动员由2人改为1人，同时将10人中反应不够准确的人剔除，加入计时较准确的同学共10人，由于数据多了，再将数据中明显错误的数值删除取平均值，这个建议得到了大家的一致认同．

(3)第三次实验

为了剔除反应慢的同学，经过小组讨论，由教师发出指令，大家同时按秒表，再发指令，同时停止计时，通过几次实验，替换了2位经常计时经常有误的同学，这时，有位同学提出，我们能不能不要运动员就测呢?因为运动员跑得快还是慢并不是0.29 s来源的因素，一旦不要运动员，那么每个人判断到达终点始终有差别这个问题就可以得到解决了，也能够有效的控制无关变量，按照这个说法，我觉得前面计时时，同时记录脚刚过终点线是控制变量法，那也是错误的，因为何时计时结束这个变量并没有引起0.29 s的改变，这只是测量误差．一石激起千层浪，同学们议论开了，什么是影响的真正因素？温度，声音只有在15 ℃时才有340 m/s的速度，温度不同，声速不同，为了使结果趋于准确，学生测了当时的温度为18 ℃．如果没有运动员，那么以什么作为计时标准呢？问题刚落，受到刚才测反应能力实验的影响，就有好多同学马上异口同声说：老师喊停就马上停．由此，我们明确了第三次实验的方法．

选10个计时员，全部面对100 m起点，在终点位置按照一个听声音一个看烟一字排开，发令员在起点的中间开始发令，教师站在终点的中间，过一段时间，当喊停时全部停止计时，经过三次实验，测得数据如表4所示.

表4 第三次实验数据

通过第三次实验，实验的测得值和理论值之间仅仅只有0.03 s的差别，为什么测不到0.29 s呢？限于时间关系，我们的实验暂告一段落，由学生回家思考这一问题．

(4)实验分析

第二天一早，就有学生告诉我，“老师，我在网上找到了温度和声速的关系式

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