喬月鳳 范春鳳

(信陽師范學(xué)院物理電子工程學(xué)院 河南 信陽 464000 )

在實(shí)驗(yàn)操作中會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要內(nèi)容.只有正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能客觀分析、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，撰寫出合格的實(shí)驗(yàn)報(bào)告.所以，讓學(xué)生熟練掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的基本知識(shí)和方法，及時(shí)糾正學(xué)生在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，是每位實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師不可忽視的問題.

1 物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、整理、計(jì)算與分析時(shí)，常用的數(shù)據(jù)處理方法有4種：列表法、作圖法、逐差法、最小二乘法線性擬合[1].用什么樣的數(shù)據(jù)處理方法，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笕ミx擇.靜電場模擬實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)用模擬法描繪靜電場，所以，數(shù)據(jù)處理方法采用作圖法.因?yàn)殪o電場是個(gè)抽象的概念，雖然在自然界中客觀存在，但是要分析和研究靜電場，只有把它形象地描繪出來才能實(shí)現(xiàn).

靜電場描繪的思路是用空間各點(diǎn)的電場強(qiáng)度和電勢來描繪靜電場.由于電場強(qiáng)度E是矢量，電勢U是標(biāo)量.所以，在靜電場的描繪中，先描繪出靜電場中電勢的分布，由相鄰等勢面間的電勢差相等描繪出等勢面，當(dāng)?shù)任幻孀兂傻任痪€，再根據(jù)電場線與等位線處處正交和電場線指向電勢降落的方向的特點(diǎn)，畫出電場線，則整個(gè)電場分布的幾何圖形就描繪出來了.有了電勢U值的分布，再根據(jù)電場強(qiáng)度E與電勢U的微分關(guān)系E=-U，可求出E的大小和方向，則完整的靜電場分布圖就確定下來了[2].

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)的問題

從靜電場實(shí)驗(yàn)報(bào)告中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生，有時(shí)甚至一個(gè)小組，對(duì)靜電場模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理都不到位，并在細(xì)節(jié)上存在許多問題.從教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中,筆者認(rèn)為學(xué)生在靜電場實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)處理主要有以下幾個(gè)方面的問題.

以一無限長直圓柱體電場分布圖為例.

(1)靜電場的描繪：學(xué)生描繪的靜電場分布圖，只有等位線，沒有電場線，和高中階段“用描跡法畫出電場中一個(gè)平面上的等勢線”一模一樣[3].如圖1(a)所示.

(a)缺少電場線的錯(cuò)誤電場圖

(2) 數(shù)據(jù)點(diǎn)、曲線的描繪：學(xué)生不知道作圖要求，圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)不是按照標(biāo)志符號(hào)*,⊙,△去標(biāo)示[2]；曲線的描繪也不曾考慮每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的誤差情況，畫出的等位線通過了每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，形狀彎彎曲曲，描繪的曲線上也沒有任何標(biāo)注和說明.如圖1(b)所示.

(b)不按作圖規(guī)則描繪的等位線

(3) 電場的方向：學(xué)生畫出了電場線，卻沒有畫出電場的方向；畫出了電場的方向，卻不是沿著電勢降落的方向.

(4) 相對(duì)電位Ur和lnr的關(guān)系曲線：其中r為測量點(diǎn)到中心電極的距離.學(xué)生一般不曾畫出相對(duì)電位Ur和lnr的關(guān)系曲線.

以上問題說明，學(xué)生沒有搞清電場線的起始位置,沒有搞清電場線和等勢面的關(guān)系，當(dāng)碰到與高中有聯(lián)系的知識(shí)時(shí)，直接將高中學(xué)習(xí)的初步知識(shí)引入實(shí)驗(yàn)，沒有深刻理解本實(shí)驗(yàn)更高的目的和要求，應(yīng)付實(shí)驗(yàn)，致使作圖只完成一半就認(rèn)為做完了.這是一種粗枝大葉、不求甚解的學(xué)習(xí)態(tài)度，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)和以后的發(fā)展有很大的危害.另外,也直接反映出學(xué)生不會(huì)正確用作圖法表示物理現(xiàn)象和物理規(guī)律.

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理原理

結(jié)合學(xué)生在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)的問題， 以一無限長直圓柱體電場分布實(shí)驗(yàn)為例，文中從以下幾方面闡述實(shí)驗(yàn)原理和數(shù)據(jù)處理技巧.

(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

模擬一無限長直圓柱體電場分布的實(shí)驗(yàn).要求在模擬場里測出某一等位值下的8個(gè)點(diǎn)，一共測出4個(gè)等位值下面的32個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，把它們記錄在數(shù)據(jù)表中，實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束.數(shù)據(jù)記錄如表1.

表1 等位點(diǎn)坐標(biāo) (單位：mm)

(2)作圖

根據(jù)表1中所采集的坐標(biāo)點(diǎn)，在毫米直角坐標(biāo)紙上，先定好坐標(biāo)軸的比例和標(biāo)度，畫出平面坐標(biāo)系.用大小適當(dāng)?shù)臉?biāo)志符號(hào)*,⊙,△標(biāo)示出32個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，注意不能用“·”符號(hào)，因?yàn)檫B線時(shí)會(huì)把點(diǎn)蓋住，不利于看清數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線的偏離程度，不利于分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.再根據(jù)8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布的總趨勢，把電勢相等的8個(gè)點(diǎn)用平滑的曲線連起來，曲線兩側(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線的距離最接近，并且數(shù)據(jù)點(diǎn)要分布均勻，如果曲線穿過某數(shù)據(jù)點(diǎn)，可在此點(diǎn)處斷開來畫曲線，一共畫出4條等位線，然后,標(biāo)出每條等位線的電勢值.最后，從高電位到低電位，用平滑的曲線畫出電場線，標(biāo)出電場的方向.如圖2所示.中心電極的電位高，場強(qiáng)的方向從電場中心指向四周.

圖2 正確的電場分布圖

表2 等位點(diǎn)到中心電極的距離 (單位：mm)

畫出相對(duì)電位Ur和lnr的關(guān)系曲線，如圖4所示.由圖4可知，Ur和lnr成線性關(guān)系，與理論結(jié)果基本相符.距中心電極越遠(yuǎn)的地方，其電位值越低.

圖4 電位Ur和lnr的關(guān)系曲線圖

4 建議

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)不可能在一次實(shí)驗(yàn)中完成，它貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù).所以，要做到以下幾個(gè)方面.

(1)分階段上好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理課

1)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理課是在實(shí)驗(yàn)緒論課上講的，實(shí)驗(yàn)緒論課只安排3個(gè)學(xué)時(shí).講的內(nèi)容很多.有實(shí)驗(yàn)課介紹、測量與誤差、測量結(jié)果的不確定度評(píng)定等實(shí)驗(yàn)操作之前的預(yù)備知識(shí).由于課時(shí)少，大家都用PPT講課，于是整堂課下來，學(xué)生走馬觀花，反映記不上，對(duì)講過的內(nèi)容印象淺，課后復(fù)習(xí)也不方便.這是造成學(xué)生不能很好地掌握數(shù)據(jù)處理知識(shí)的主要原因.

2)在實(shí)驗(yàn)操作課上，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)再給學(xué)生補(bǔ)充數(shù)據(jù)處理知識(shí)，反復(fù)強(qiáng)調(diào)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中多運(yùn)用.只有多實(shí)踐，才能培養(yǎng)學(xué)生正確運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)表示物理規(guī)律的能力，才能更好地掌握數(shù)據(jù)處理方法.

(2)糾正學(xué)生不重視數(shù)據(jù)處理的思想

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上可以看出，學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重視程度不夠.工科學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后首先接觸的實(shí)驗(yàn)就是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是他們將來學(xué)習(xí)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ).讓學(xué)生從思想上給予重視，正確引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理知識(shí)，有助于學(xué)生得到可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還有助于學(xué)生分析和研究實(shí)驗(yàn)誤差，為將來的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ).

(3)引入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

目前，不少高校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，數(shù)據(jù)處理工作一直是用傳統(tǒng)的毫米方格紙、鉛筆、橡皮來完成，作圖麻煩，速度慢、準(zhǔn)確性差.對(duì)習(xí)慣于使用計(jì)算機(jī)的當(dāng)代大學(xué)生來說，這種處理方式是原始的.而計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)是一個(gè)未來的發(fā)展方向，所以,引入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是很有必要的.

5 結(jié)束語

無論什么實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)操作之后都要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這個(gè)工作對(duì)理工科學(xué)生來說非常重要，所以,學(xué)習(xí)好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的各種方法，用數(shù)學(xué)知識(shí)正確表示自然界的物理規(guī)律，是各個(gè)專業(yè)學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，要加以重視.

參考文獻(xiàn)

1 戴啟潤. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2008.22～29

2 王棟臣.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京：北京郵電大學(xué)出版社，2011.21～28

3 人民教育出版社物理室.物理. 北京：人民教育出版社，2005.257～258