第2节 测量：实验探究的重要环节

 

一、本节三维目标要求

1.知识和技能

Ø         使学生了解统一计量标准的意义。熟悉长度的国际单位制单位，以及与其他单位的换算。

Ø         学习使用刻度尺，了解零点(零刻度线)、分度值、量程等概念。

Ø         了解误差，练习多次测量求平均值减小误差的方法。学习记录、分析、表达数据和结果。

2.过程与方法

Ø         通过一些实例练习测量长度的方法。训练使用测量工具的规范操作。

Ø         通过测量活动，从中体会、练习灵活运用知识的方法和技巧，培养学生灵活运用知识的能力和创造性思维。

3.情感、态度与价值观

Ø         通过规范学生的操作行为，培养严肃认真，实事求是的科学态度。

Ø         训练实验技能的同时注意培养良好的实验习惯。

 

二、重点和难点

长度的测量是本课时的重点，理解长度测量的基础性是本课的难点。

 

三、教学实施建议

（一）教学过程

本节分为三个教学板块：①计量的重要性；②测量长度的要点；③综合的测量活动。

这节内容分两节课完成。

测量是科学实验的重要环节。物理量的测量首先要规定它的标准量，并以之作为单位，将待测物理量与它的标准量进行比较。教材以鲁班制定中国木工尺为例，说明了统一计量标准的重要性：国际单位制是进行科学、科技、贸易交流的保障。测量本质上是比较，是将被测物和标准物做比较，为使学生认识到这一点，可向学生提出这样的问题：“如果不许使用尺子，你怎样测量教室的长和宽?”学生可能提出各种各样的测量方法，选其中之一进行实际测量，比如请一高一矮两位同学用步来量教室的宽，必然得出不同的结果。教师就此向学生指出，同一长度的测量得不出统一的结果是没有意义的。然后让学生讨论怎样才能得出统一的结果呢?通过这个活动和鲁班的故事，启发学生认识建立长度标准的必要性，同时认识长度单位以及国际单位制。中国古代在计量方面有许多举世瞩目的成就，特别是秦始皇统一度量衡，老师可适当介绍，以增强学生的爱国意识和民族自信心。

长度测量是最基本的测量。对刻度尺的认识，要求学生认真观察刻度尺的零点(零刻度线)、分度值、量程三项内容。这种观察非常重要，应作为一种实验素质来培养。从长度测量开始，就要培养学生这种使用仪器之前认真观察的习惯。应当使学生明确，今后凡对有刻度的仪器，都要先弄明白这三项内容，比如温度计、带游码的天平、电流表以及电压表等等。此外，要求学生使用毫米刻度尺测量书本的宽。作为示范，教材给出了测量一块木板（教材图2-2-7）的读数。

为让学生明确长度测量的重要意义，要向学生讲解，物理学是一门实验科学，而测量是实验的基础，可以说没有测量就没有物理学。物理学实验的许多测量仪器的读数是以长度的读数为基础的，因此长度测量是最基本的测量。刻度尺的读数方法，对所有测量仪器的读数具有普遍意义．这就是掌握好长度测量的意义。为此，教材中向学生介绍或展示了一些非长度测量对象转化为长度测量的事例，比如：量筒、温度计、手表、速度表等，这样的仪器还有很多，如弹簧测力计、压强计、电流表、电压表、万用表等，老师可以适当补充。总之，要让学生认识到，长度测量在物理测量中是最基本最常用的测量，使他们在原来基础上，对长度测量的意义在认识上提高一步。

最后，教材安排了进行综合测量的一个实验活动——“建立你的信息档案”。通过测量，认识自己，认识同学，学生会很感兴趣。老师应注意引导学生，利用学生自己的身体练习估算能力，使学生在头脑中形成测量物理量的具体观念。这个活动涉及的测量仪器较多，有皮尺、人体秤（磅秤）、体温计、手表（秒表）等，大部分是家庭中的测量装置，因此，这个活动的具体工作可以放在课下进行。活动还涉及误差的概念，对于误差，只要求学生知道由眼睛观察的值不可能很准确，所以测量必然存在误差。不要求具体分析误差产生的原因。为了建立误差概念，可以让小组的每个人用同一把刻度尺测同一被测物一次，各自正确记录下测量结果，会出现不同的结果。然后每个人对同一测量重复三次，记下每次测量结果，亦会出现不同结果。引导学生从长度测量的不确定性，引出误差概念，认识测量值与真实值的差异叫误差，误差是不可避免的。总之，教师在指导学生进行测量练习时，让学生对误差的概念只需要有所体会和认识，不可引申太多。最后可向学生说明，一般采用多次测量或累计测量，求其算术平均值作为测量结果，来减小误差。

 

（二）材料准备与实验设计

（1）本节用到的主要实验工具是刻度尺。

（2）测量长度的几种方法：

累积法：测细铜丝的直径。把细铜丝紧密地排绕在铅笔上若干圈，测出这个线圈总长，计算出细铜丝的直径。

平移法：测乒乓球直径。

替代法：测曲线的长度。

轮转法：用轮子的滚动来测长度，如利用自行车轮测出弧形遗跑道的长度。

长度=轮子周长×轮子转动的圈数。

 

四、发展空间

1．“自我评价”参考答案：

（1）通过皮尺测得20步走过的距离，然后除以10即可。

（2）图（a）为正确操作。

2．“物理在线”指导

纳米技术的崛起引发了世界范围内的纳米热潮，教师可以结合“参考资料”中提供的内容对学生进行课外活动的指导。另外在这一技术逐渐应用于日常生活领域的同时，许多虚假的纳米商品也纷至沓来，教师可以针对这个问题给予学生指导，让学生养成利用物理知识分辨伪科学的意识。

 

五、教学资源

（一）参考资料

1."米"的发展史

1791年，法国科学家认为地球的大小是不变的，并提出把地球子午线的四千万分之一的长度定为一米，并用铂制成了截面为4mm×25.3mm的第一根标准米尺。这根标准米尺就成了世界最早的米原器保存在法国档案馆,“米”这一单位也由此诞生。米原器作为长度单位的基础，在法国使用了84年。1875年3月1日，法国政府邀请美国、俄国、德国、阿根廷、奥地利、丹麦、比利时等20个国家的代表，在巴黎召开会议，并于同年5月20日（1999年第21届国际计量大会确定每年5月20日为世界计量日），由20个国家中的17个全权代表签定了“米制公约”，这个会议上首先统一了长度单位“米”和质量单位“千克”。米制公约签字国承认了以法国档案米原器作为长度基准。这次会议上还决定由签字国共同出资建立国际计量局（BIPM），并确定将局址设在巴黎，其目的是保证米制的国际间的统一和发展。会议还决定以法国档案米尺为基准制成了30根基准米尺发给各成员国作为备用长度标准。并要求定期送往巴黎与米原器进行比较。

1889年9月20日，第一届国际计量大会根据瑞士制造的米原器，给“米”的定义是：“0℃ 时，巴黎国际计量局的截面为X形的铂铱合金尺两端刻线记号间的距离。”这是国际计量局第一次给“米”下的定义。但因为刻线的宽度影响，科学家对这个米原器的精度感到不满意。如何提高米原器的精度，又不至于受环境的影响，是摆在科学家们面前的一大课题。

1960年10月的第11届国际计量大会上给“米”下了第二次定义：“米等于氪86原子2P10和5d能级间跃迁所对应的辐射在真空中的1650763. 73个波长的长度。”以自然基准代替实物基准，这是计量科学的一次革命。用光波波长定义“米”的主要优点是稳定、不受环境的影响，只要符合定义规定的物理条件，就能复现。但是在特殊的技术条件下，氪86用起来很困难，仍不是科学家理想的“米原器”，在用了23年后就被淘汰了。

基于光速的不变性和激光的良好单色性等因素，1983年第17届国际计量大会将“米”定义为“光在真空中1/299792458s的时间间隔内行程的长度。”这是米的第三次定义。因为光速在真空是永远不变的，因而基准米就更加精确了。

我国于1977年5月签署米制公约并参加了16届国际计量大会，在全国范围内统一使用同一法定计量单位“米”，大大促进了科技的进步与经济的发展。

 

2．秦始皇统一度量衡

度量衡，其原始含义为长度、容积、重量的计量，在我国古代主要器具为尺、斗、秤。

春秋战国时期，中国的度量衡没有一个统一的标准，各国诸侯按照自己的喜好，制定了不同的计算单位和不同的计算进制。大一统的秦王朝建立后，为了不使其影响王朝的经济交流和发展，李斯上奏皇帝，建议废除六国旧制，把度量衡从混乱不清的状况下明确统一起来，得到了秦始皇的允许。秦始皇二十六年（公元前221年），颁布“一法度衡石丈尺”诏书，规定依秦制划一全国度量衡标准。在李斯的亲自指挥下，把度制以寸、尺、丈引为单位，采用十进制计数；量制则以合、升、斗、桶为单位，也采用十进制计算；衡制则以铢、两、斤、钧、石为单位，二十四铢为一两，十六两为一斤，三十斤为一钧，四钧为一石固定下来。如以铭文所记数据计，秦度一尺约合今0.23m，秦量一升约合今0.2L，秦衡一斤约合今0.258kg。为了有效地统一制式、划一器具，度量衡器由官府遵诏书负责监制，民间不得私造。秦律中还规定了量器误差限度，《工律》规定：有关官吏每年至少要检查校正一次度量衡，允许有误差，但误差不能超过4‰。如一石误差不许超过8两，否则主管官吏要赀罚1盾，如果超过16两，则罚一甲。。凡制造度量衡器，均需铸刻诏书全义，一般为四十字：“廿六年，皇帝尽并兼天下诸侯，黔首大安，立号为皇帝。乃诏丞相状(隗状)、绾(王绾)，法度量则不一歉疑者，皆明一之。”至此战国以来度量衡制不一的局面得以结束。两千多年来，无论朝代更迭，这种计量方法几无更改。甚至时至今日，我们的生活当中依然还有它的身影。

此外，战国时各国亩制不一，秦始皇还统一了田亩制度，规定以六尺为一步，二百四十方步为一亩，结束了田畴异亩的局面。

（资料来源：莫永超）

3.直接测量和间接测量

在物理实验中，对于待测物理量的测量分为两类：直接测量和间接测量。直接测量可以用测量仪器和待测量进行比较，直接得到结果。例如用刻度尺、游标卡尺、停表、天平、直流电流表等进行的测量就是直接测量。间接测量则是不能直接用测量仪器把待测量的大小测出来，而要依据待测量与某几个直接测量量的函数关系求出待测量。例如重力加速度，可通过测量单摆的摆长和周期，再由单摆周期公式算出，这种类型的测量就是间接测量。

(选自：《高中物理学生实验》)

4.精密度、精确度与准确度

用同一测量工具与方法在同一条件下多次测量，如果测量值偶然误差小，即每次测量结果涨落小，说明测量重复性好，称为测量精密度好，因此，测量偶然误差的大小反映了测量的精密度．

　　精确度是测量的准确度与精密度的总称，在实际测量中，影响精确度的可能主要是系统误差，也可能主要是偶然误差，当然也可能两者对测量精确度影响都不可忽略．在某些测量仪器中，常用精度这一概念，实际上包括了系统误差与偶然误差两个方面，例如常用的电工仪表（电流表、电压表等）就常以精度划分仪表等级．

根据误差理论可知，当测量次数无限增多的情况下，可以使偶然误差趋于零，而获得的测量结果与真值偏离程度——测量准确度，将从根本上取决于系统误差的大小，因而系统误差大小反映了测量可能达到的准确程度．

选自《中学教学实用全书物理卷》

5.纳米技术

1959年12月29日，著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼(Richard P. Feynman，1918-1988)在美国物理学年会上作了以《物质底层有大量空间》为题的演讲。他预言：未来的人类，有可能“将单个原子作为建筑构件，在最底层空间建造任何物质”，并且期待着“出现新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质”,这是关于纳米技术最早的理论设想。

20世纪80年代，随着扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术的诞生与发展，“纳米技术”应运而生。“纳米”是长度单位，为10-9m，用符号表示为nm。原子的直径为0.1～0.3nm，研究小于10-l0m以下的原子内部结构属于原子核物理、粒子物理的范畴。纳米技术是指在纳米尺度(1nm到l00nm之间)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。当物质颗粒小到1～100nm(10-9～10-7m)时，其量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象，例如高氧化活性、熔点变化、反射率降低、超顺磁性以及宏观量子隧道效应等等。

纳米科技的最终目标是根据物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性，直接以“原子”或“分子”来构建具有特定功能的材料和产品。目前纳米技术已逐渐应用于工农业生产中，纳米产品正在走向市场。