浅议物理实验中数据分析法的应用

2017-06-27孙梅

物理教师 2017年6期

关键词：凸透镜规律物理

孙梅

(青岛实验初级中学，山东青岛 266002)

浅议物理实验中数据分析法的应用

孙梅

(青岛实验初级中学，山东青岛 266002)

物理实验中获取的数据也称观测值,是实验、观察、测量的结果．数据分析法是对一些实验数据进行分析、概括,进而找出数据间的规律,最终形成物理概念或物理定律的方法.物理是一门以实验为基础的自然学科,所以数据分析法在物理实验中应用广泛,很多物理定理和定律都是由实验数据分析而得出的.数据分析的目的是把隐没在杂乱无章的数据中的信息提炼出来,找出所研究对象的内在规律.数据分析可帮助人们作出判断,更加清楚地认清研究问题的本质和特征．

1 实验数据分析的一般步骤

(1) 数据的初加工处理．数据分析的目的就是验证猜想,得到规律. 实验结束后,得到的仅是一些无序的数据,要想在杂乱无章的数据中,找到规律,首先要对数据进行初步的加工整理.一般按照已知量、测量值、计算量等内容进行有序列表,进行初加工.当然,这里也包括单位换算及一些数据的初步计算等.

(2) 数据的结构性分析．初步整理后的实验数据,在分步和排列上就有了一定规律,要想清晰地把隐含在数据里的规律提炼出来,还需借助一定的方法和工具.常用的分析法有:表格法、图像法、多媒体辅助等手段.至于选择什么方法,往往由具体的实验内容确定,一些简单的实验分析,用表格分析就能清晰地找到其规律;有些实验的数据绘制图像后,才能直观地呈现出其规律特征;对于一些复杂的数据,如果用多媒体计算机等高级工具处理,则是简洁明了,直观形象,其规律性彰显更加明显.

(3) 数据分析结果的描述和概括．若想得出规范、严谨的物理规律,还需进一步地系统分析,精确描述规律,科学地评估实验方案,避免规律得出的偶然性.

2 常见的数据分析法

(1) 直接比较法.有些实验,只需研究两个物理量之间的关系,而这两个量又便于观察、测量,则可应用直接比较法.例如在探究弹簧的伸长量和拉力的大小关系时,可在观察、记录数据的基础上,直接比较就可以得出二者的正比例关系.

(2) 列表法.把被测物理量分类列表表示出来,需说明记录表的要求,主要内容.列表法有制表方便,形式紧凑,数据易于比较等优点.列表法还常常是图表法的基础.列表法应注意:

① 项目应包括物理量名称及单位.

② 实验测得的数据应按测量结果,取恰当的有效数字填入.

③ 自变量应按逐渐增加或减小的顺序排列.

例1.在探究凸透镜成像规律时,按照学生的生活经验,知道凸透镜能成不同的像,并且像的大小可能跟物距有关.进行实验时,在光具座上分别找出倒立缩小、倒立放大、正立放大三类不同的像,并测量出每次的物距和像距,实验数据如表1.

表1 (f=10cm)

思考: ① 观察表中第1、2、3次物距数据与焦距f=10cm,二倍焦距2f=20cm比较,可得物体在__________位置时凸透镜成倒立、缩小的实像,且像成在__________位置.

② 观察表中第4、5、6次数据,可得物体在__________位置时凸透镜成倒立、放大的实像,且像成在__________位置.

③ 观察表中第7、8、9次数据,可得物体在__________位置时凸透镜成正立、放大的虚像．

④ 观察表中第3、4列的数据，你的发现是______________________________.

评析: 该例中,用表格记录实验数据,按成像特点分类,并把物距大小由远及近地排列,易于学生总结和分析凸透镜成像规律.在数据分析时,巧设问题,引导学生的思维,让物距与2f和f进行比较,逐渐引导学生得出凸透镜成像规律.学生经过思考,用大脑把数据“加工”成结论,才能真正掌握凸透镜成像的规律.

(3) 平均法.平均法是指对待测物理量进行很多次的测量,把测量的值相加再除以测量次数,或把每一次的测量值用固定的算式分别进行计算再求出结果,再把结果相加除以测量次数,最后取其平均值.由于每一次的测量因为多方面的因素都会不一样,测量值偏大或偏小,所以需要进行多次测量,再求其平均值,这样的测量值才会更真实、科学,有说服性. 例如“测定金属电阻率”的实验,在测定金属丝的直径d时,用螺旋测微器在金属丝的3个不同点上分别进行测量,然后取3次的测量结果,其平均值就是最后的直径.

(4) 描迹法.描迹法是指通过若干次描点、频闪照相、用打点计时器打点等记录形式,直观形象地显现实验结果的方法.例如在“研究平抛物体的运动”实验中,用描迹法直接描绘小球的运动轨迹;在“电场中等势线的描绘”的实验中,用描迹法描绘等势线等.应用描迹法时应注意:

① 所描出的曲线或直线应是平滑的,不应有突然的转折.

② 个别点若偏离所描出的曲线太远,可认为是某种偶然因素所致,一般可舍去这样的点.

③ 为能准确地描述所记录曲线,所记录点的总数不能太少,应在所描范围内大致均匀分布.

(5) 图表法.建立合理的坐标系,将实验数据作为坐标点在坐标系中表示出来,寻找坐标点之间的规律.其优点是直观、明显,由图像的斜率、截距、包围的面积、外推可以研究物理量之间的规律.作图像时应注意以下几个方面:

① 坐标轴代表的物理量要合理,这样便于找出规律,一般多选用直线作图线,因为直线明了直观,而曲线的规律不易判定.

② 坐标建立要规范,坐标轴上要标明物理量及对应单位,注意正确选取横轴和纵轴的标度,使所做出的图像大致布满整个图纸.

③ 选点要恰当,作图要规范,直线至少取5点,曲线10～15点,且在曲线弯曲处取点密集一些;对直线作图,应使直线通过尽可能多的点,不通过的点应均匀分布在直线两侧;对曲线作图要平滑,不能做成折线,对于有些特异性的点可以分析取舍.

例2.小明用图1甲所示的装置探究“水沸腾时的规律”.

(甲) 探究水沸腾的装置

(乙) 绘制水沸腾温度变化的坐标系

表2

请回答下列问题:

① 实验中观察到水沸腾的现象是____________________________________________________.

② 小明在水温升高到90℃时,开始记录数据于表2中.请根据数据画出图像，回答水沸腾的规律是:____________________________.

评析: 探究水的沸腾规律实验中,实验后得到的是一组数据,表格数据所呈现的物理规律不明显．把数据绘制成图像后,用一条图线即可表述温度与加热时间的关系,简洁明了(如图1乙).

(6) 多媒体辅助处理.信息技术已被广泛运用到物理教学课堂上,也被广大师生所接收,中学生的计算机水平日益提高,已能熟练运用计算机记录及处理数据,对数据的图像进行分析等.计算机中的Excel软件功能非常强大,能够进行大量的数据记录与处理,还能画出物理实验中图像,便于得出物理规律.

图2

例3.物理小组利用光控实验进行了“探究自由落体运动下落速度与高度之间的关系”的实验,如图2所示.学生们将数据记录在Excel软件工作薄中,利用Excel软件处理数据,小组进行探究,得出结论.在数据分析过程中,小组学生先得出了vB-h图像,继而又得出了vB2-h图像,如图3、4所示.请根据图像回答:小组同学在得出vB-h图像后,为什么还要作出vB2-h图像?

评析: 本实验中,利用光控仪器准确地测出速度与高度,得到相关数据,然后用Excel软件进行处理,自动生成物理图像.这种做法,操作简单,便于总结速度与高度的关系.题目中,先作出的vB-h图线,不是一条直线,根据形状无法判断vB、h的关系,进而考虑vB2-h图像,从而找出vB2-h的线性关系.