靜電場模擬實驗數據處理問題解析

喬月鳳 范春鳳

(信陽師范學院物理電子工程學院 河南 信陽 464000 )

在實驗操作中會產生大量的實驗數據，對實驗數據進行處理是物理實驗中的一個重要內容.只有正確處理實驗數據，才能客觀分析、評價實驗結果，得出可信的實驗結論，撰寫出合格的實驗報告.所以，讓學生熟練掌握實驗數據處理的基本知識和方法，及時糾正學生在實驗數據處理中出現的錯誤，是每位實驗指導教師不可忽視的問題.

1 物理實驗數據處理方法

在基礎物理實驗中，實驗人員對實驗數據進行記錄、整理、計算與分析時，常用的數據處理方法有4種：列表法、作圖法、逐差法、最小二乘法線性擬合[1].用什么樣的數據處理方法，在實驗教學中要結合具體的實驗目的和要求去選擇.靜電場模擬實驗的目的是讓學生學習用模擬法描繪靜電場，所以，數據處理方法采用作圖法.因為靜電場是個抽象的概念，雖然在自然界中客觀存在，但是要分析和研究靜電場，只有把它形象地描繪出來才能實現.

靜電場描繪的思路是用空間各點的電場強度和電勢來描繪靜電場.由于電場強度E是矢量，電勢U是標量.所以，在靜電場的描繪中，先描繪出靜電場中電勢的分布，由相鄰等勢面間的電勢差相等描繪出等勢面，當等位面變成等位線，再根據電場線與等位線處處正交和電場線指向電勢降落的方向的特點，畫出電場線，則整個電場分布的幾何圖形就描繪出來了.有了電勢U值的分布，再根據電場強度E與電勢U的微分關系E=-U，可求出E的大小和方向，則完整的靜電場分布圖就確定下來了[2].

2 實驗數據處理中出現的問題

從靜電場實驗報告中發現，多數學生，有時甚至一個小組，對靜電場模擬實驗數據處理都不到位，并在細節上存在許多問題.從教學經驗中,筆者認為學生在靜電場實驗報告中的數據處理主要有以下幾個方面的問題.

以一無限長直圓柱體電場分布圖為例.

(1)靜電場的描繪：學生描繪的靜電場分布圖，只有等位線，沒有電場線，和高中階段“用描跡法畫出電場中一個平面上的等勢線”一模一樣[3].如圖1(a)所示.

(a)缺少電場線的錯誤電場圖

(2) 數據點、曲線的描繪：學生不知道作圖要求，圖中的數據點不是按照標志符號*,⊙,△去標示[2]；曲線的描繪也不曾考慮每個實驗點的誤差情況，畫出的等位線通過了每一個數據點，形狀彎彎曲曲，描繪的曲線上也沒有任何標注和說明.如圖1(b)所示.

(b)不按作圖規則描繪的等位線

(3) 電場的方向：學生畫出了電場線，卻沒有畫出電場的方向；畫出了電場的方向，卻不是沿著電勢降落的方向.

(4) 相對電位Ur和lnr的關系曲線：其中r為測量點到中心電極的距離.學生一般不曾畫出相對電位Ur和lnr的關系曲線.

以上問題說明，學生沒有搞清電場線的起始位置,沒有搞清電場線和等勢面的關系，當碰到與高中有聯系的知識時，直接將高中學習的初步知識引入實驗，沒有深刻理解本實驗更高的目的和要求，應付實驗，致使作圖只完成一半就認為做完了.這是一種粗枝大葉、不求甚解的學習態度，對學生的學習和以后的發展有很大的危害.另外,也直接反映出學生不會正確用作圖法表示物理現象和物理規律.

3 實驗及數據處理原理

結合學生在實驗數據處理中出現的問題， 以一無限長直圓柱體電場分布實驗為例，文中從以下幾方面闡述實驗原理和數據處理技巧.

(1)實驗內容

模擬一無限長直圓柱體電場分布的實驗.要求在模擬場里測出某一等位值下的8個點，一共測出4個等位值下面的32個坐標點，把它們記錄在數據表中，實驗操作結束.數據記錄如表1.

表1 等位點坐標 (單位：mm)

(2)作圖

根據表1中所采集的坐標點，在毫米直角坐標紙上，先定好坐標軸的比例和標度，畫出平面坐標系.用大小適當的標志符號*,⊙,△標示出32個數據點，注意不能用“·”符號，因為連線時會把點蓋住，不利于看清數據點與曲線的偏離程度，不利于分析實驗結果.再根據8個數據點分布的總趨勢，把電勢相等的8個點用平滑的曲線連起來，曲線兩側的數據點與曲線的距離最接近，并且數據點要分布均勻，如果曲線穿過某數據點，可在此點處斷開來畫曲線，一共畫出4條等位線，然后,標出每條等位線的電勢值.最后，從高電位到低電位，用平滑的曲線畫出電場線，標出電場的方向.如圖2所示.中心電極的電位高，場強的方向從電場中心指向四周.

圖2 正確的電場分布圖

表2 等位點到中心電極的距離 (單位：mm)

畫出相對電位Ur和lnr的關系曲線，如圖4所示.由圖4可知，Ur和lnr成線性關系，與理論結果基本相符.距中心電極越遠的地方，其電位值越低.

圖4 電位Ur和lnr的關系曲線圖

4 建議

實驗數據處理能力的培養不可能在一次實驗中完成，它貫穿于整個實驗教學和實驗學習環節中，是一項長期而艱巨的任務.所以，要做到以下幾個方面.

(1)分階段上好實驗數據處理課

1)實驗數據處理課是在實驗緒論課上講的，實驗緒論課只安排3個學時.講的內容很多.有實驗課介紹、測量與誤差、測量結果的不確定度評定等實驗操作之前的預備知識.由于課時少，大家都用PPT講課，于是整堂課下來，學生走馬觀花，反映記不上，對講過的內容印象淺，課后復習也不方便.這是造成學生不能很好地掌握數據處理知識的主要原因.

2)在實驗操作課上，結合具體實驗再給學生補充數據處理知識，反復強調，讓學生在實驗中多運用.只有多實踐，才能培養學生正確運用數學知識表示物理規律的能力，才能更好地掌握數據處理方法.

(2)糾正學生不重視數據處理的思想

從實驗數據處理上可以看出，學生對大學物理實驗的重視程度不夠.工科學生進入大學后首先接觸的實驗就是大學物理實驗，大學物理實驗課是他們將來學習專業實驗課的基礎.讓學生從思想上給予重視，正確引導學生認真對待實驗數據處理知識，有助于學生得到可靠的實驗結果，還有助于學生分析和研究實驗誤差，為將來的復雜實驗打下良好的基礎.

(3)引入計算機進行數據處理

目前，不少高校的大學物理實驗教學中，數據處理工作一直是用傳統的毫米方格紙、鉛筆、橡皮來完成，作圖麻煩，速度慢、準確性差.對習慣于使用計算機的當代大學生來說，這種處理方式是原始的.而計算機處理數據是一個未來的發展方向，所以,引入計算機進行數據處理是很有必要的.

5 結束語

無論什么實驗，實驗操作之后都要進行數據處理，這個工作對理工科學生來說非常重要，所以,學習好實驗數據處理的各種方法，用數學知識正確表示自然界的物理規律，是各個專業學生做好實驗的基礎，要加以重視.

參考文獻

1 戴啟潤. 大學物理實驗.鄭州：鄭州大學出版社，2008.22～29

2 王棟臣.大學物理實驗.北京：北京郵電大學出版社，2011.21～28

3 人民教育出版社物理室.物理. 北京：人民教育出版社，2005.257～258