静电场模拟实验数据处理问题解析

2013-01-12乔月凤范春凤

物理通报 2013年2期

乔月凤范春凤

(信阳师范学院物理电子工程学院河南信阳 464000 )

在实验操作中会产生大量的实验数据，对实验数据进行处理是物理实验中的一个重要内容.只有正确处理实验数据，才能客观分析、评价实验结果，得出可信的实验结论，撰写出合格的实验报告.所以，让学生熟练掌握实验数据处理的基本知识和方法，及时纠正学生在实验数据处理中出现的错误，是每位实验指导教师不可忽视的问题.

1 物理实验数据处理方法

在基础物理实验中，实验人员对实验数据进行记录、整理、计算与分析时，常用的数据处理方法有4种：列表法、作图法、逐差法、最小二乘法线性拟合[1].用什么样的数据处理方法，在实验教学中要结合具体的实验目的和要求去选择.静电场模拟实验的目的是让学生学习用模拟法描绘静电场，所以，数据处理方法采用作图法.因为静电场是个抽象的概念，虽然在自然界中客观存在，但是要分析和研究静电场，只有把它形象地描绘出来才能实现.

静电场描绘的思路是用空间各点的电场强度和电势来描绘静电场.由于电场强度E是矢量，电势U是标量.所以，在静电场的描绘中，先描绘出静电场中电势的分布，由相邻等势面间的电势差相等描绘出等势面，当等位面变成等位线，再根据电场线与等位线处处正交和电场线指向电势降落的方向的特点，画出电场线，则整个电场分布的几何图形就描绘出来了.有了电势U值的分布，再根据电场强度E与电势U的微分关系E=-U，可求出E的大小和方向，则完整的静电场分布图就确定下来了[2].

2 实验数据处理中出现的问题

从静电场实验报告中发现，多数学生，有时甚至一个小组，对静电场模拟实验数据处理都不到位，并在细节上存在许多问题.从教学经验中,笔者认为学生在静电场实验报告中的数据处理主要有以下几个方面的问题.

以一无限长直圆柱体电场分布图为例.

(1)静电场的描绘：学生描绘的静电场分布图，只有等位线，没有电场线，和高中阶段“用描迹法画出电场中一个平面上的等势线”一模一样[3].如图1(a)所示.

(a)缺少电场线的错误电场图

(2) 数据点、曲线的描绘：学生不知道作图要求，图中的数据点不是按照标志符号*,⊙,△去标示[2]；曲线的描绘也不曾考虑每个实验点的误差情况，画出的等位线通过了每一个数据点，形状弯弯曲曲，描绘的曲线上也没有任何标注和说明.如图1(b)所示.

(b)不按作图规则描绘的等位线

(3) 电场的方向：学生画出了电场线，却没有画出电场的方向；画出了电场的方向，却不是沿着电势降落的方向.

(4) 相对电位Ur和lnr的关系曲线：其中r为测量点到中心电极的距离.学生一般不曾画出相对电位Ur和lnr的关系曲线.

以上问题说明，学生没有搞清电场线的起始位置,没有搞清电场线和等势面的关系，当碰到与高中有联系的知识时，直接将高中学习的初步知识引入实验，没有深刻理解本实验更高的目的和要求，应付实验，致使作图只完成一半就认为做完了.这是一种粗枝大叶、不求甚解的学习态度，对学生的学习和以后的发展有很大的危害.另外,也直接反映出学生不会正确用作图法表示物理现象和物理规律.

3 实验及数据处理原理

结合学生在实验数据处理中出现的问题，以一无限长直圆柱体电场分布实验为例，文中从以下几方面阐述实验原理和数据处理技巧.

(1)实验内容

模拟一无限长直圆柱体电场分布的实验.要求在模拟场里测出某一等位值下的8个点，一共测出4个等位值下面的32个坐标点，把它们记录在数据表中，实验操作结束.数据记录如表1.

表1 等位点坐标 (单位：mm)

(2)作图

根据表1中所采集的坐标点，在毫米直角坐标纸上，先定好坐标轴的比例和标度，画出平面坐标系.用大小适当的标志符号*,⊙,△标示出32个数据点，注意不能用“·”符号，因为连线时会把点盖住，不利于看清数据点与曲线的偏离程度，不利于分析实验结果.再根据8个数据点分布的总趋势，把电势相等的8个点用平滑的曲线连起来，曲线两侧的数据点与曲线的距离最接近，并且数据点要分布均匀，如果曲线穿过某数据点，可在此点处断开来画曲线，一共画出4条等位线，然后,标出每条等位线的电势值.最后，从高电位到低电位，用平滑的曲线画出电场线，标出电场的方向.如图2所示.中心电极的电位高，场强的方向从电场中心指向四周.

图2 正确的电场分布图

表2 等位点到中心电极的距离 (单位：mm)

画出相对电位Ur和lnr的关系曲线，如图4所示.由图4可知，Ur和lnr成线性关系，与理论结果基本相符.距中心电极越远的地方，其电位值越低.

图4 电位Ur和lnr的关系曲线图

4 建议

实验数据处理能力的培养不可能在一次实验中完成，它贯穿于整个实验教学和实验学习环节中，是一项长期而艰巨的任务.所以，要做到以下几个方面.

(1)分阶段上好实验数据处理课

1)实验数据处理课是在实验绪论课上讲的，实验绪论课只安排3个学时.讲的内容很多.有实验课介绍、测量与误差、测量结果的不确定度评定等实验操作之前的预备知识.由于课时少，大家都用PPT讲课，于是整堂课下来，学生走马观花，反映记不上，对讲过的内容印象浅，课后复习也不方便.这是造成学生不能很好地掌握数据处理知识的主要原因.

2)在实验操作课上，结合具体实验再给学生补充数据处理知识，反复强调，让学生在实验中多运用.只有多实践，才能培养学生正确运用数学知识表示物理规律的能力，才能更好地掌握数据处理方法.

(2)纠正学生不重视数据处理的思想

从实验数据处理上可以看出，学生对大学物理实验的重视程度不够.工科学生进入大学后首先接触的实验就是大学物理实验，大学物理实验课是他们将来学习专业实验课的基础.让学生从思想上给予重视，正确引导学生认真对待实验数据处理知识，有助于学生得到可靠的实验结果，还有助于学生分析和研究实验误差，为将来的复杂实验打下良好的基础.

(3)引入计算机进行数据处理

目前，不少高校的大学物理实验教学中，数据处理工作一直是用传统的毫米方格纸、铅笔、橡皮来完成，作图麻烦，速度慢、准确性差.对习惯于使用计算机的当代大学生来说，这种处理方式是原始的.而计算机处理数据是一个未来的发展方向，所以,引入计算机进行数据处理是很有必要的.