| 标题 | 巧用图象处理物理实验数据 |
| 范文 | 赵世竹 关键词：图像问题 ? 实验数据 ? 教学效果 用物理图象处理实验数据可以达到化难为易，化繁为简，是物理实验中经常用到的方法。更有一些用文字或公式难以表达清楚的物理规律、物理过程，用图象可以鲜明表示物理量之间的规律，达到快捷解决问题的目的。《考试大纲》能力要求中指出：要求学生有阅读图象、描述图象、运用图象解决问题的能力。运用图象处理物理实验数据，有利于培养学生应变能力、思维能力、迁移能力、创新能力和数形结合处理问题的能力。 一、根据实验数据特点减小作图时的误差 实验误差影响着实验的精准度。为减小作图时的误差，应该注意以下几点： （一）坐标系中，细致标注坐标轴的单位、名称和坐标标度; （二）标度的选取应要适当; （三）注意起始坐标点坐标的确定，其刻度不一定从零开始。 如在 “测定电源的电动势和内电阻”的实验中，实验数据如表所示： 根據数据作出U-I图象： 又如，在“描绘小灯泡的伏安特征曲线”的实验中，实验数据如表所示： 根据数据作出U-I图象： 二、根据实验原理确定图象的函数 在中学阶段，由于学生的数学能力和物理学科本身的特点，普通的图像通常是一次函数，因为使用一次函数对数据的分析更加直观，数据被更准确地用作函数图像。然而，中学物理中有许多公式与物理量有关，而不是一次函数关系。因此，需要对它们进行处理，转换成一次函数关系，函数图像从曲线变为直线。这种处理方法和过程可以更好地测试学生的应变能力。 例如，在“探索加速度与力和质量的关系”的实验中，在相同力的作用下，质量m越大，加速度a越小。这可能是“a与m成反比”，但也可能是“a与m2成反比”，或者更复杂。 我们一般从最简单的情况来研究这个问题，首先检测“a和m是否成反比”。检查a-m图像是否为双曲线也可以确定图像是否为反比例，但检查曲线是否为双曲并不容易，也就是说，很难确定对应的函数是否为反比例函数。所以我们转换我们的思想：“a与m成反比”实际上与“a和 ”成正比。如果a是垂直坐标，则 为水平坐标建立坐标系。根据图像是否是穿越原点的直线，就更容易确定加速度是否与质量成反比。 所以，在研究加速度与质量的关系时，要描绘α- 图象，而不是描绘a-m图象，“化曲为直”是实验研究中经常采用的一种有效方法。 二、根据图象特点分析题目所求的问题 处理图象问题关键弄清楚两个物理量之间函数关系或图象所揭示的物理规律，进而明确图象反映的物理内涵。注意观察图象中图线的形状是直线、曲线还是折线等，再就是全面系统地看懂图象中的“轴”、“线”、“点”、“斜率”、“面积”、“截距”等所表示的物理意义。 如在利用如图所示的实验装置来做“探究加速度与力、质量的关系”这一实验时，甲、乙、丙三位同学通过测量、数据处理，分别获得了如图甲、乙、丙所示的a-F图象和α- 图象，试分析： （1）甲图所示的a-F图象和α- 图象中，图线与纵轴有截距的原因; （2）乙图所示的a-F图象和α- 图象中，图线与横轴有截距的原因; （3）丙图所示的a-F图象和α- 图象中，图线发生弯曲的原因。 分析：（1）甲图a-F图象中，图线与纵轴有截距a0，说明当拉力F为零时，小车仍有加速度，造成这一结果的原因是平衡摩擦阻力时，长木板的一端垫起过高，平衡摩擦力过大了;α- 图象中，图线与纵轴也有截距a0，说明在 =0，即小车的质量无穷大时，小车仍有加速度，造成这一结果的原因也是平衡摩擦阻力时，长木板的一端垫起得过高，平衡摩擦力过大了。 （2）乙图a-F图象中，图线与横轴有截距F0，表明当拉力F不为零且大于某一值时，小车才有加速度，造成这一结果的原因是平衡摩擦阻力时，长木板的一端垫起得太低，平衡摩擦力不足; α- 图象中，图线与横轴有截距F0，表明当小车受到一定的拉力F时， ≠0，即小车的质量没有达到无穷大的情况下，小车的加速度为零，造成这一结果的原因也是长木板的一端垫起得太低，平衡摩擦力不足。 （3）本实验成立的条件是保证m《M时，细绳对小车的拉力F近似等于沙和沙桶的总重力mg，也就是为了使实验中的运算简化，在实验原理上进行了近似处理。但是，在实验过程中，若不断增加沙的质量，则沙和沙桶的总质量越来越接近小车的质量M，沙和沙桶的加速度越来越大，失重现象越来越明显，当无法满足这一条件时，就造成了丙图a-F图象所示的实验结果，即非线性变化而发生弯曲。 同理，在α- 图象中，当 增大到一定程度，即小车的质量减小到一定值时，也无法满足m《M这一条件，同样失重现象越来越明显，就造成了丙图的α- 图象所示的实验结果，即图象发生弯曲。 总之，实验图象问题是个系统工程，很多时候上述特点相互联系，相互依存，他们应该是一个完整的统一体。 实验图象问题比较琐碎，这里不可能做到面面俱到的介绍，也不可能做到严格的分门别类。在对图像的总体认识的基础上，探讨图像问题或应用图像解决问题的问题，主要从应用方法上进行分类和总结，并通过具体的题目总结出每一类问题解决要点，以更好地解决实验图像的问题。 图像运用的深层意义在于能够激发学生的创新意识，提高学生的综合能力，培养学生对严谨学术的科学态度。因此，在日常教学中，要注意并引导学生理解和掌握解决图形问题的思路和方法，以达到“抛砖引玉”的教学效果。 参考文献： [1]朱启洋，仲扣庄，宋瑞金.物理实验数据处理方法探究[J].中学物理教学参考，2006，（12）. （作者单位：沂南县山大华特卧龙学校） |
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