淺議物理實驗中數(shù)據(jù)分析法的應(yīng)用

孫 梅

(青島實驗初級中學，山東 青島 266002)

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淺議物理實驗中數(shù)據(jù)分析法的應(yīng)用

孫 梅

(青島實驗初級中學，山東 青島 266002)

物理實驗中獲取的數(shù)據(jù)也稱觀測值,是實驗、觀察、測量的結(jié)果．數(shù)據(jù)分析法是對一些實驗數(shù)據(jù)進行分析、概括,進而找出數(shù)據(jù)間的規(guī)律,最終形成物理概念或物理定律的方法.物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學科,所以數(shù)據(jù)分析法在物理實驗中應(yīng)用廣泛,很多物理定理和定律都是由實驗數(shù)據(jù)分析而得出的.數(shù)據(jù)分析的目的是把隱沒在雜亂無章的數(shù)據(jù)中的信息提煉出來,找出所研究對象的內(nèi)在規(guī)律.數(shù)據(jù)分析可幫助人們作出判斷,更加清楚地認清研究問題的本質(zhì)和特征．

1 實驗數(shù)據(jù)分析的一般步驟

(1) 數(shù)據(jù)的初加工處理．數(shù)據(jù)分析的目的就是驗證猜想,得到規(guī)律. 實驗結(jié)束后,得到的僅是一些無序的數(shù)據(jù),要想在雜亂無章的數(shù)據(jù)中,找到規(guī)律,首先要對數(shù)據(jù)進行初步的加工整理.一般按照已知量、測量值、計算量等內(nèi)容進行有序列表,進行初加工.當然,這里也包括單位換算及一些數(shù)據(jù)的初步計算等.

(2) 數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性分析．初步整理后的實驗數(shù)據(jù),在分步和排列上就有了一定規(guī)律,要想清晰地把隱含在數(shù)據(jù)里的規(guī)律提煉出來,還需借助一定的方法和工具.常用的分析法有:表格法、圖像法、多媒體輔助等手段.至于選擇什么方法,往往由具體的實驗內(nèi)容確定,一些簡單的實驗分析,用表格分析就能清晰地找到其規(guī)律;有些實驗的數(shù)據(jù)繪制圖像后,才能直觀地呈現(xiàn)出其規(guī)律特征;對于一些復雜的數(shù)據(jù),如果用多媒體計算機等高級工具處理,則是簡潔明了,直觀形象,其規(guī)律性彰顯更加明顯.

(3) 數(shù)據(jù)分析結(jié)果的描述和概括．若想得出規(guī)范、嚴謹?shù)奈锢硪?guī)律,還需進一步地系統(tǒng)分析,精確描述規(guī)律,科學地評估實驗方案,避免規(guī)律得出的偶然性.

2 常見的數(shù)據(jù)分析法

(1) 直接比較法.有些實驗,只需研究兩個物理量之間的關(guān)系,而這兩個量又便于觀察、測量,則可應(yīng)用直接比較法.例如在探究彈簧的伸長量和拉力的大小關(guān)系時,可在觀察、記錄數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,直接比較就可以得出二者的正比例關(guān)系.

(2) 列表法.把被測物理量分類列表表示出來,需說明記錄表的要求,主要內(nèi)容.列表法有制表方便,形式緊湊,數(shù)據(jù)易于比較等優(yōu)點.列表法還常常是圖表法的基礎(chǔ).列表法應(yīng)注意:

① 項目應(yīng)包括物理量名稱及單位.

② 實驗測得的數(shù)據(jù)應(yīng)按測量結(jié)果,取恰當?shù)挠行?shù)字填入.

③ 自變量應(yīng)按逐漸增加或減小的順序排列.

例1.在探究凸透鏡成像規(guī)律時,按照學生的生活經(jīng)驗,知道凸透鏡能成不同的像,并且像的大小可能跟物距有關(guān).進行實驗時,在光具座上分別找出倒立縮小、倒立放大、正立放大三類不同的像,并測量出每次的物距和像距,實驗數(shù)據(jù)如表1.

表1 (f=10cm)

思考: ① 觀察表中第1、2、3次物距數(shù)據(jù)與焦距f=10cm,二倍焦距2f=20cm比較,可得物體在__________位置時凸透鏡成倒立、縮小的實像,且像成在__________位置.

② 觀察表中第4、5、6次數(shù)據(jù),可得物體在__________位置時凸透鏡成倒立、放大的實像,且像成在__________位置.

③ 觀察表中第7、8、9次數(shù)據(jù),可得物體在__________位置時凸透鏡成正立、放大的虛像．

④ 觀察表中第3、4列的數(shù)據(jù)，你的發(fā)現(xiàn)是______________________________.

評析: 該例中,用表格記錄實驗數(shù)據(jù),按成像特點分類,并把物距大小由遠及近地排列,易于學生總結(jié)和分析凸透鏡成像規(guī)律.在數(shù)據(jù)分析時,巧設(shè)問題,引導學生的思維,讓物距與2f和f進行比較,逐漸引導學生得出凸透鏡成像規(guī)律.學生經(jīng)過思考,用大腦把數(shù)據(jù)“加工”成結(jié)論,才能真正掌握凸透鏡成像的規(guī)律.

(3) 平均法.平均法是指對待測物理量進行很多次的測量,把測量的值相加再除以測量次數(shù),或把每一次的測量值用固定的算式分別進行計算再求出結(jié)果,再把結(jié)果相加除以測量次數(shù),最后取其平均值.由于每一次的測量因為多方面的因素都會不一樣,測量值偏大或偏小,所以需要進行多次測量,再求其平均值,這樣的測量值才會更真實、科學,有說服性. 例如“測定金屬電阻率”的實驗,在測定金屬絲的直徑d時,用螺旋測微器在金屬絲的3個不同點上分別進行測量,然后取3次的測量結(jié)果,其平均值就是最后的直徑.

(4) 描跡法.描跡法是指通過若干次描點、頻閃照相、用打點計時器打點等記錄形式,直觀形象地顯現(xiàn)實驗結(jié)果的方法.例如在“研究平拋物體的運動”實驗中,用描跡法直接描繪小球的運動軌跡;在“電場中等勢線的描繪”的實驗中,用描跡法描繪等勢線等.應(yīng)用描跡法時應(yīng)注意:

① 所描出的曲線或直線應(yīng)是平滑的,不應(yīng)有突然的轉(zhuǎn)折.

② 個別點若偏離所描出的曲線太遠,可認為是某種偶然因素所致,一般可舍去這樣的點.

③ 為能準確地描述所記錄曲線,所記錄點的總數(shù)不能太少,應(yīng)在所描范圍內(nèi)大致均勻分布.

(5) 圖表法.建立合理的坐標系,將實驗數(shù)據(jù)作為坐標點在坐標系中表示出來,尋找坐標點之間的規(guī)律.其優(yōu)點是直觀、明顯,由圖像的斜率、截距、包圍的面積、外推可以研究物理量之間的規(guī)律.作圖像時應(yīng)注意以下幾個方面:

① 坐標軸代表的物理量要合理,這樣便于找出規(guī)律,一般多選用直線作圖線,因為直線明了直觀,而曲線的規(guī)律不易判定.

② 坐標建立要規(guī)范,坐標軸上要標明物理量及對應(yīng)單位,注意正確選取橫軸和縱軸的標度,使所做出的圖像大致布滿整個圖紙.

③ 選點要恰當,作圖要規(guī)范,直線至少取5點,曲線10～15點,且在曲線彎曲處取點密集一些;對直線作圖,應(yīng)使直線通過盡可能多的點,不通過的點應(yīng)均勻分布在直線兩側(cè);對曲線作圖要平滑,不能做成折線,對于有些特異性的點可以分析取舍.

例2.小明用圖1甲所示的裝置探究“水沸騰時的規(guī)律”.

(甲) 探究水沸騰的裝置

(乙) 繪制水沸騰溫度變化的坐標系

表2

請回答下列問題:

① 實驗中觀察到水沸騰的現(xiàn)象是____________________________________________________.

② 小明在水溫升高到90℃時,開始記錄數(shù)據(jù)于表2中.請根據(jù)數(shù)據(jù)畫出圖像，回答水沸騰的規(guī)律是:____________________________.

評析: 探究水的沸騰規(guī)律實驗中,實驗后得到的是一組數(shù)據(jù),表格數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的物理規(guī)律不明顯．把數(shù)據(jù)繪制成圖像后,用一條圖線即可表述溫度與加熱時間的關(guān)系,簡潔明了(如圖1乙).

(6) 多媒體輔助處理.信息技術(shù)已被廣泛運用到物理教學課堂上,也被廣大師生所接收,中學生的計算機水平日益提高,已能熟練運用計算機記錄及處理數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)的圖像進行分析等.計算機中的Excel軟件功能非常強大,能夠進行大量的數(shù)據(jù)記錄與處理,還能畫出物理實驗中圖像,便于得出物理規(guī)律.

圖2

例3.物理小組利用光控實驗進行了“探究自由落體運動下落速度與高度之間的關(guān)系”的實驗,如圖2所示.學生們將數(shù)據(jù)記錄在Excel軟件工作薄中,利用Excel軟件處理數(shù)據(jù),小組進行探究,得出結(jié)論.在數(shù)據(jù)分析過程中,小組學生先得出了vB-h圖像,繼而又得出了vB2-h圖像,如圖3、4所示.請根據(jù)圖像回答:小組同學在得出vB-h圖像后,為什么還要作出vB2-h圖像?

評析: 本實驗中,利用光控儀器準確地測出速度與高度,得到相關(guān)數(shù)據(jù),然后用Excel軟件進行處理,自動生成物理圖像.這種做法,操作簡單,便于總結(jié)速度與高度的關(guān)系.題目中,先作出的vB-h圖線,不是一條直線,根據(jù)形狀無法判斷vB、h的關(guān)系,進而考慮vB2-h圖像,從而找出vB2-h的線性關(guān)系.

圖3 vB-h關(guān)系圖

圖4 vB2-h關(guān)系圖

3 數(shù)據(jù)分析的注意事項

(1) 觀察數(shù)據(jù)時,不僅要明確觀察目標,同時還要明確收集信息的內(nèi)容,知道是記錄某一現(xiàn)象的細微特征還是記錄兩個現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系,或者是兩者兼而有之;明確收集信息的時間,知道是在哪一個時刻或哪一段時間內(nèi)記錄的信息,做到在預定的時間觀察預定的目標,收集所關(guān)注的信息.

(2) 在分析實驗數(shù)據(jù)時,教師不能替代學生,也不能完全放給學生,可巧妙地設(shè)置 “問題”引領(lǐng)學生,讓學生的思維在問題的引領(lǐng)下動起來,突破數(shù)據(jù)分析這一難點,使復雜的實驗數(shù)據(jù)變成易于探索的物理規(guī)律.

(3) 實驗數(shù)據(jù)不等于實驗結(jié)論,很多教師做完數(shù)據(jù)分析后馬上得出結(jié)論,這時的結(jié)論不是來自于實驗數(shù)據(jù),而是學生從課本上抄襲的結(jié)果與結(jié)論.數(shù)據(jù)分析時,一定要給學生留有一些思考時間,分析實驗誤差產(chǎn)生的各種可能性,讓學生要用已有的知識經(jīng)驗作為工具,經(jīng)過加工處理,實驗數(shù)據(jù)才能真正轉(zhuǎn)變成物理規(guī)律.

(4) 關(guān)注特殊數(shù)據(jù)．除收集預定關(guān)注的信息外,探究者還應(yīng)善于捕捉意外的信息,歷史上的許多發(fā)現(xiàn),如伽伐尼電流、倫琴射線等,都是由于科學家的敏銳目光捕捉住了意外信息而得到的.

2017-01-26)