实验方案的选择

例谈实验方案的选择

对于一个实验，可能存在多条思路、多种方案，那么在众多实验方案中，我们应如何选择呢？一般来说，选择实验方案主要有三条原则：

1．简便性原则即要求所选方案原理简单、操作简便，各量易测。应尽量避免实施那些原理复杂、操作繁琐和被测量不易直接测量的实验方案。

2．安全性原则实验方案的实施要安全可靠，不会对人身和器材造成危害，使用易破、易碎的器材时有谨慎操作的意识。所需装置和器材要易于置备，不能脱离实际，不能超出现有条件。

3．精确性原则不同的实验方案，其实验原理、所用仪器以及实验重复性等方面所引入的误差是不同的。在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的实验方案。

下面结合密度的测量，具体说明如何选择实验方案。

小汉和小盼合作进行“测定盐水的密度”的实验。他们选择的实验器材：天平（含砝码）、量筒、烧杯、盐水。

实验步骤：步骤一、用天平测出空烧杯的质量ｍ1

步骤二、将盐水倒进烧杯，用天平测出装有盐水的烧杯的总质量ｍ2

步骤三、将烧杯中的盐水全部倒人量筒中，读出盐水的体积V

步骤四、计算出盐水的密度：ρ=ｍ/V=（ｍ2-ｍ1）/V

他们收拾好实验器材后，一起对实验的过程进行了评估，小汉说：我们的实验原理正确，实验器材使用恰当，操作过程规范，读数准确，计算无误，得出的盐水密度是准确的。

小盼说：在操作过程中，我发现有一点儿盐水沾在烧杯内壁上。这样，尽管我们操作规范、读数准确、计算无误，但我们测量得到的数据还是有了误差，导致计算的结果也有误差。

小汉认真思考后，同意了小盼的意见。然后，他们一起继续探讨如何改进实验方案，尽量减小测量的误差。根据小汉和小盼对实验过程的评估，请思考：

（1）小盼这里所指的“测量误差”是在上述实验步骤的第步骤产生的，导致了盐水体积读数（填“偏大”或“偏小”），从而使得盐水密度的计算结果（填“偏大”或“偏小”）。

（2）为了减小实验的误差，必须从质量和体积两方面的测量进行控制。根据小汉和小盼的分析意见，在不增加实验器材的条件下，提出你的实验设计方案，使实验结果的误差达到最小。实验步骤是：。

（3）在你的设计方案中，控制误差的思路是：。

思路点拨：任何测量都有误差，由于仪器的精度、人的读数等原因引起的误差是不可避免的。但是由于实验的操作方法不当而引起的误差，我们是可以避免的。题目测量的是烧杯中盐水的密度，将杯中盐水倒入量筒时，烧杯壁上会沾上盐水，这样测出的盐水体积会偏小，算出的密度会偏大。

注意到了上述因素，小汉提出了改进方案：

步骤一：用天平测出量筒的质量ｍ1

步骤二：将适量的盐水倒入量筒中，测出盐水的体积V

步骤三：用天平测出盐水和量筒的质量ｍ2

步骤四：计算出盐水密度ρ=（ｍ2-ｍ1）/ V

单纯从减小误差的角度来考虑，上述步骤是正确的。但上述步骤忽略了另一重要因素──安全性。试想，量筒又细又高，底座面积又小，放在晃晃悠悠的天平上，一不留神就会翻倒，怎不让实验者胆颤心惊。作为实验，安全性──包括人身安全和实验仪器安全，应是实验者考虑的首要因素。而具有安全操作的意识，不仅对学生现在，就是将来走向社会，也是公民必须具备的基本素质。

小盼注意到了仪器的安全性，于是提出用量杯代替量筒进行实验。小汉说，量杯比量筒粗矮，放到天平上不容易翻倒，这样安全性有保障了，但量杯精确度比量筒差，测出的数值误差较大，看来实验还需要再设计。

既然烧杯中的水无法全部倒入量筒，我们不妨让它多剩一些，测出烧杯和剩下的盐水的质量，可知倒出去的盐水质量，倒出去的盐水体积可由量筒直接测出，这样就可算出倒出去的盐水的密度。正是这样经历多次设计，多次评估，考虑到各种因素，确定了最佳方案：

步骤一：将适量的盐水倒入烧杯中，测出烧杯和盐水的质量ｍ1

步骤二：把烧杯中的一部分盐水倒入量筒中，用天平测出烧杯和剩余盐水的质量ｍ2

步骤三：测出量筒内盐水的体积V

步骤四：计算出倒出部分的盐水密度ρ=ｍ/V =（ｍ1-ｍ2）/ V

这种方法避免了因盐水沾在容器壁上所引起的误差，保证m1、m2测量准确，V读数准确。

通过上述实验过程，可以看出，对于探究方案的评估和选择是科学探究活动的重要组成部分。在日常实验中，应当注意对实验方案的评估，能对探究的行为和收集信息的科学性、可靠性进行评价。能对这种差异及引起这种差异的规律进行分析，发现和提出新的问题。对探究过程和结果进行评估，提出改进探究方案的具体方法。