物理實驗中表格數據的處理與使用

韋中燊 婁可華

數據是實驗的重要組成部分．數據處理問題也是實驗類試題最常考查的方面．就目前出現的大部分物理實驗試題來看,用表格的形式呈現數據是最常見的形式．認識表格數據的主要用途和常見考查角度,對于提高物理實驗試題的答題成功率有著重要意義．

1 用表格數據考查控制變量法

實驗的結論很多時候需要通過分析數據才能得到．分析數據的時候,又需要依據一定的物理方法．在高中階段的物理實驗數據分析中,控制變量法是最常見的分析方法．而表格數據,正是展現控制變量法的主要形式．

表1

由表中數據得出的論斷中不正確的是( ).

A. 兩組實驗采用了不同頻率的入射光

B. 兩組實驗所用的金屬板材質不同

C. 若入射光子的能量為5.0eV,逸出光電子的最大動能為1.9eV

D. 若入射光子的能量為5.0eV,相對光強越強,光電流越大

分析本題是一道利用表格數據進行實驗結論深入分析的典型試題,其中選項B、D考查的就是控制變量法的應用,要求考生不僅知道控制變量法,更要做到真正理解．想要判斷兩組實驗所使用的金屬材質是否相同,首先要明白金屬材質在這些數據中是怎么體現出來的．很顯然,表格中并沒有直接反映金屬材質的數據,所以需要考生對光電效應有基本認知,知道入射光子能量與逸出光電子的最大動能之間的差值,正好等于金屬材質的逸出功．在這里,金屬材質的逸出功是一個隱藏的第三變量．在此基礎上進一步分析,就可以發現,其實兩組實驗所用的金屬材質是相同的．所以,選項B的表述是錯誤的,而該選項正是本題答案．

選項D雖然可以直接利用平時所學進行判斷．嚴謹地說，應通過表格數據判斷在被照射金屬材質一樣,入射光子能量一定時,光電流大小與光的相對強度之間的關系是一種正相關,即相對強度越大,光電流越大．同樣的規律,在入射光子的能量是4.0eV和6.0eV時都成立,那么在5.0eV時也應該成立．

對于選項A,直接分析表格中的入射光子能量數據就可進行判斷．選項C實際上與選項B有關聯關系,在明確選項B中提及的金屬材質問題的同時,已經可以直接得到該金屬材質的逸出功,然后再利用愛因斯坦光電效應方程,就可以輕松得到選項C中的結論．

2 用表格數據信息判斷滑動變阻器的接法

在電學實驗中,電路的選擇是常考內容之一,電路選擇問題一般會涉及電流表的接法選擇和滑動變阻器的接法選擇．常規的電學實驗中,關于滑動變阻器的接法,主要有兩種:分壓式接法和限流式接法．那么,具體實驗中,到底選擇哪一種接法呢?選擇的依據有很多,而表格正是呈現有關數據的主要形式．

表2

由以上實驗數據可知,他們測量Rx是采用圖1中的圖________(填“甲”或“乙”)．

圖1

3 表格數據是描點作圖的信息依據

描點作圖也是實驗試題中經常考查的內容之一,是一種重要的數據處理方法．建立在圖象基礎上的數據分析,具有很強的直觀性,更有助于規律的發現．以學生在高中階段所具有的圖象分析能力,最便于分析的圖象應該是一次函數的直線圖象,其次是光滑的曲線圖象.前者可以定量定性分析,后者基本只能定性分析．有這樣的認識,就可以避免畫出亂七八糟的連點折線圖來,因為那樣的圖象是無法清晰地反映出規律的．

描點一般情況是根據試題所提供的表格數據進行的．在利用表格數據描點的時候,要注意一一對應的關系．另外,還要知道描點作圖處理數據的另外一個好處,就是可以剔除偶然誤差過大的數據,即圖象上出現的“壞點”．

表3

分析本題就是一個非常典型的利用表格數據描點作圖的問題,而且,在描點作圖的基礎上,還進一步考查了剔除“壞點”的問題．如果不是利用描點的方式將表格數據直觀呈現出來的話,要想發現數據誤差較大的對應時刻并不是一件輕松的事情,但通過描點,結果就一目了然了．具體所得U-t圖象如圖2所示.

圖2

從圖象中能夠發現,第40.0s的數據誤差較大．另外,描點作圖時要注意以下幾點:描點要清晰、連續、光滑，爭取一步到位,切忌反復涂抹或畫得過粗．

4 利用表格數據歸納相關實驗結論

高中階段的實驗,無論是探究性的,還是驗證性的,其實實驗的結論基本都是明確的．實驗結論一般依賴于實驗所獲得的數據．上面提到的依照數據描點作圖,目的也是為了尋找規律,歸納結論．有的時候,我們也可以直接從數據中歸納實驗結論,這也是表格數據的基本用途之一．

表4

根據測量數據,可判斷連接電源的線圈是________(填“a”或“b”)．

分析表格數據是分析本題的重要依據．認真觀察表格數據,會發現Ub與Ua的數值比總是大于2,比對應的線圈匝數比要大,而按照理想變壓器的規律,電壓比值應該與匝數比值一樣．當然,實驗中的變壓器不可能是理想變壓器,必然有諸如磁漏、鐵芯發熱、導線發熱等情況導致熱量損失,所以會出現輸入與輸出電壓比值增大情況．可見連接電源的只能是線圈b．如果連接電源的是線圈a,那么實驗數據將會是另外一種情況,Ub與Ua的數值比必將小于2．

5 小結

實驗的目的是探索未知,尋找規律．高中階段的實驗,更主要的是驗證規律,同時培養學生的實驗操作能力、數據分析能力、實事求是的科學態度、相關的一些科學分析方法，等等．其中,數據的分析處理能力,是必不可少的內容．

數據對于實驗來說,具有非常重要的意義．數據、圖象和現象是實驗結果呈現的幾種重要方式．對于高中階段的學生來說,抓住了數據,利用好數據,不僅有助于分析實驗試題,也是實驗能力的一種體現．

考試的目的不僅僅是為了獲得高分,或者用來選拔，其也是培養人的一種途徑．做題不能僅僅為了做題,要體驗試題背后潛在的育人意圖．

鏈接練習

在研究平拋運動的實驗中,某同學記錄了小球運動過程中經過的A、B、C、D、E、F、G點的位置,相鄰兩點的時間間隔均為Δt=0.05 s．取A點為坐標原點,以+x方向表示水平初速度方向,以+y方向表示豎直向下方向,實驗記錄如下表．

表5

圖3

(1)作出x-t圖象如圖3-甲所示,小球平拋運動的水平初速度大小是________m·s-1;

(2)根據表格中數據可知,t=0.10s時,小球的豎直分速度大小是________m·s-1;

鏈接練習參考答案

(1)0.5; (2)1.57; (3)m·s-2;9.72.