高中物理實驗中如何加強數(shù)據(jù)處理教學(xué)

李興勝

摘 要：數(shù)據(jù)處理的核心內(nèi)容是估算待測量的最佳值，估算測量結(jié)果的不確定度并尋求多個待測量間的函數(shù)關(guān)系。它是物理實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰退刭|(zhì)的重要環(huán)節(jié)。高中物理實驗中常用的數(shù)據(jù)處理方法有比較法、平均法、描跡法、列表法、作圖法、圖解法、逐差法等，其中蘊含著豐富的科學(xué)思想和方法，注重實驗數(shù)據(jù)處理的教學(xué)是培養(yǎng)科學(xué)思想，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題方法的有效途徑，也是每一位學(xué)生都要掌握的基本技能。

關(guān)鍵詞：高中物理；實驗教學(xué)；數(shù)據(jù)處理

比較法是物理實驗中極其重要、基本的研究方法，其優(yōu)點是便于理解，使實驗內(nèi)容化繁為簡、便于操作、實驗精度高。量筒測體積、長度測量、驗證平行四邊形定則等是直接比較，電橋法測電阻、半偏法測電表內(nèi)阻、等臂天平測物體質(zhì)量、水銀熱膨脹與溫度的線性關(guān)系做成的水銀溫度計是間接比較，采用比較法能啟發(fā)學(xué)生思考，增強學(xué)生對相似知識的辨析和遷移能力。

實驗測量總有誤差，平均值常作為待測量真值的最佳估值，平均法可以減小誤差或使實驗結(jié)果更具普遍性，多次測量找規(guī)律，能排除偶然性，剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，對實驗數(shù)據(jù)進行修正，提高測量準確度。測量一張紙的厚度、單擺周期測量、干涉條紋寬度測量、測量定值電阻的阻值是多次測量求平均值，減小誤差，碰撞實驗小球落點、逐差法求加速度多次測量找規(guī)律，排除偶然性，小燈泡伏安特性、探究凸透鏡成像規(guī)律是多次測量物體在不同條件下的物理現(xiàn)象，進行比較。采用平均法可以給學(xué)生嚴格的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?、良好的實驗?xí)慣、嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，實事求是、探求真理的科學(xué)態(tài)度。

描跡法通過若干次描點、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。等勢線的描繪是用電流場模擬電壓場、碰撞實驗小球速度與水平射程是等效替代，幫助學(xué)生建立等效替代的思想，提高空間想象力，培養(yǎng)學(xué)生主動參與的意識。用沙擺描繪單擺的振動曲線、用打點計時器記錄物體位置、用頻閃照相機拍攝平拋的小球位置、用示波器觀察交流信號的波形是留跡法，幫助學(xué)生建立空間與時間的對應(yīng)關(guān)系，提高空間想象維度。

列表法是對幾個量之間的函數(shù)關(guān)系的測量，或?qū)σ粋€物理量進行多次測量時，把數(shù)據(jù)列成表格，使大量數(shù)據(jù)表達清晰醒目、條理化，易于檢查數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)問題，避免差錯，同時有助于反映物理量之間的對應(yīng)關(guān)系。設(shè)計的表格要力求簡明、齊全、有條理，記錄的各物理量的名稱（符號）和單位明確，欄目順序應(yīng)充分注意數(shù)據(jù)間的聯(lián)系和計算順序，函數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)表格應(yīng)按自變量由小到大或由大到小的順序排列，以便于判斷和處理。設(shè)計一個簡明醒目、合理美觀的數(shù)據(jù)表格，是每一個同學(xué)都要掌握的基本技能。表格沒有固定格式，可以讓學(xué)生盡力自由發(fā)揮、綜合考慮、統(tǒng)籌策劃，養(yǎng)成良好習(xí)慣，培養(yǎng)實驗技能，提高學(xué)習(xí)興趣。

為了研究物理量之間的相互依存關(guān)系，作圖法處理數(shù)據(jù)是一個便利、直觀而比較科學(xué)的方法。實驗數(shù)據(jù)處理的目的是求近似值，真值是一個理想概念不可測，但可綜合多次測量的效果來減小誤差，找到盡可能接近真實的值，作圖法具有這一功能。根據(jù)紙帶作V-t圖、燈泡的伏安特性曲線、測量電動勢和內(nèi)阻中，作出U-I圖線，單擺周期與擺長T2-l圖線。作圖法處理數(shù)據(jù)雖然比較麻煩且誤差常常較大，但其優(yōu)點是可發(fā)現(xiàn)“錯誤點”，或根據(jù)所得圖線與理論圖線的比較，進而尋求實驗之“失誤點”，有利于完善實驗原理，改進實驗方法。在實驗設(shè)計、操作無誤的情況下，用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)還可發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，這也是中學(xué)物理學(xué)習(xí)此法的一個重要原因。作圖法把數(shù)據(jù)間的函數(shù)關(guān)系形象化，把形象思維和邏輯思維有機地聯(lián)系在一起，從而達到啟迪思維、促進科學(xué)創(chuàng)新的目的。

圖解法根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的函數(shù)關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，變曲為直，將實驗數(shù)據(jù)點擬合成一條直線，由圖像的斜率、截距、面積、乘積、切線等進一步求出反映該實驗物理規(guī)律的解析方程。圖解法是物理教與學(xué)的實踐中最重要的方法和工具之一，它的應(yīng)用能使復(fù)雜問題簡單化、抽象問題具體化。驗證牛頓第二定律實驗中a—1/m圖像化反比例關(guān)系為正比例函數(shù)關(guān)系，驗證機械能守恒定律的實驗中v2=2gh將一次函數(shù)變量轉(zhuǎn)化為二次變量，單擺測定重力加速度L-T2成一次函數(shù)關(guān)系，用電阻箱和電流表測電源電動勢和內(nèi)電阻作R-1/I圖。引導(dǎo)學(xué)生掌握和應(yīng)用圖解法處理實驗數(shù)據(jù)，可以提高學(xué)習(xí)興趣，拓展思路，啟迪創(chuàng)新思維，提高分析、解決問題的能力，是圖像法處理物理問題的進一步升華，是數(shù)學(xué)方法在物理問題中的又一應(yīng)用，其中蘊含著豐富的科學(xué)思想和方法，也是高考重點內(nèi)容。

參考文獻：

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