俞麗萍
1 學生在物理實驗圖像處理中的常見錯誤
1.1 作圖不夠規(guī)范
物理實驗中的作圖比較典型的有:單擺周期T2與擺長L的圖像、伏安特性曲線、加速度a與F、1m圖像等,這些圖像普遍受到重視,但統(tǒng)計表明:學生對于光路圖與力的矢量合成圖的規(guī)范不夠明確.例如2012年浙江理綜高考第21題,在“測定玻璃的折射率”實驗中第1小題中要求作出完整的光路圖,常見錯誤如圖1所示,主要問題有:光路圖中少箭頭、虛實不分;三棱鏡內光線未畫;折射點尋找錯誤.
例如2012年浙江理綜高考第22題 “探究求合力的方法”實驗中第2小題要求學生在答題紙上畫出這兩個共點力的合力F合.學生在作圖過程中存在的主要問題有:少箭頭、少標度、沒刻度、虛實線不分、合力偏離OA方向很大角度等.
1.2 直線、曲線、折線區(qū)分不清
在2011年浙江高考理綜第22題 “探究導體電阻與其影響因素的定量關系”實驗中,為了探究3根材料未知,橫截面積均為S=0.20 mm2的金屬絲a、b、c的電阻率,采用如圖2所示的實驗電路.M為金屬絲c的左端點,O為金屬絲a的右端點,P是金屬絲上可移動的接觸點.在實驗過程中,電流表讀數始終為I=1.25 A.電壓表讀數U隨OP間距離x的變化如表1.
(1)繪出電壓表讀數U隨OP間距離x變化的圖線.
此題的得分率并不高,因為在平時的教學過程中,我們往往是根據描出點的趨勢進行作圖.一種是畫直線,使盡量多的實驗數據點通過這些直線,另一種是畫曲線,用平滑的曲線將描出的點連起來.此問題中拐點處怎么會是折線呢?學生在此處容易出錯.這說明,學生對“何時畫光滑的曲線,何時畫折線”的認識不夠到位.
1.3 語言表達能力薄弱
2010年浙江高考理綜第21題第2小題中,已作出電阻隨電流的變化曲線如圖3所示,要求學生指出圖線的特征,并解釋形成的原因.
在描述此圖像特征時,根據其走勢,可分為三個區(qū)間進行描述.學生在處理此問題的過程中,其特征的表述不夠全面,很多學生都將圖像分成兩個區(qū)間進行描述,導致解釋其形成的原因亦不夠全面.
1.4 不夠嚴謹細致
2013年浙江高考理綜第22題“測電源的電動勢和內阻”實驗中,用作圖法求得電池的內阻r.在此題的處理過程中,需要建立合適的坐標,畫出圖像,并根據圖像的相關知識求出電池的內阻r.畫出圖像是基本要求,要將內阻r 確定出來,則需要在原圖像的基礎上,獲取相關的實驗數據點,進而求得r.若沒有嚴謹細致的態(tài)度,則求得的r與參考答案給出的區(qū)間會有出入.
2 改進學生物理實驗圖像處理能力的策略
2.1 調整實驗復習的內容
2.1.1 明確實驗中常用圖像的作圖規(guī)范
光路圖的作圖規(guī)范
實線與虛線:真實存在的線用實線,輔助線用虛線,實際光線的反向延長線畫成虛線.光的折射光路圖中反射光線用實線,法線畫虛線.
箭頭:在實線線段上必須標注箭頭,表示光真實傳播的路徑.箭頭最好畫在線段的中間.虛線上不要畫箭頭.
利用平行四邊形定則求合力的作圖規(guī)范
如圖4所示,力的圖示在表示時需要有統(tǒng)一的標度;兩個力的圖示用實線表示;在畫平行四邊形的過程中平移的線應畫成虛線;在兩個分力上應該標上標度.
2.1.2 強調從圖像獲取信息的一般步驟
從已知圖像(圖線)中獲取信息的一般步驟為:
(1)明確圖像縱橫軸所表示的物理量及相應的單位
(2)求圖像的斜率:要選取線上相距較遠的兩點,不一定要取原來的數據點,最好取坐標上的“+”字交叉點讀取相關數據.
2.1.3 研究表示探究規(guī)律的不同圖像
在物理實驗中,有時需要利用數形結合的方法獲取有用的信息.例如在測電源的電動勢和內阻的實驗中,根據U=E-Ir,作出U-I圖像,求得相應的斜率和截距,便可求得E和r.學生在實際的處理中,無法正確寫出應變量與自變量之間的關系.為了加強這方面的訓練,利用不同的圖像探究相同的物理量就是很好的方法之一.
例1 如圖5所示,測定一節(jié)內阻很小的干電池的電動勢和內阻.為了減小內阻的測量誤差,在電源旁邊串聯了一個定值電阻R0=2 Ω,除了電池、開關和導線外,還有一個電阻箱R.調節(jié)電阻箱的阻值,記錄數據電壓U和電阻箱阻值R后,可通過做什么圖像得到電動勢和內阻.
方案1 根據閉合電路歐姆定律,整理可得
1U=1E+R0+rE·1R.
故在處理過程中,可以作出1U-1R的圖像,則k=R0+rE,b=1E,可求得相應的E與r的值.
方案2 根據U=E-UR(R0+r),
整理可得U=E-(R0+r)·UR,
可以作出U-UR的圖像,則k=-(R0+r),b=E,可求得E與r的值.
2.1.4 培養(yǎng)耐心作圖習慣
作圖的規(guī)則
選用合適的坐標紙;標明坐標軸名稱、單位,選擇合適的標度;圖上連線應是光滑的曲線(或直線),連線時不一定要通過所有的數據點,讓實驗數據點大致均勻分布在圖線附近,對于個別離線較遠的點可以舍棄.
在數據描點完成后,畫直線還是曲線,一是看其走勢,二是需要結合已有的背景知識.若在同一個圖中描繪不同物質的同一個物理量,則相應的點利用折線相連接.
例2 在探究單擺的振動周期T和擺長L的關系實驗中,某同學在細線的一端扎上一個勻質圓柱體制成一個單擺.該同學改變擺長,多次測量,完成操作后得到了下表中所列實驗數據.請在坐標系中畫出相應圖線.
學生根據實驗數據,在坐標紙上找到相應的實驗數據點,根據實驗數據點的趨勢,畫出的圖如圖6、圖7所示,應該都十分美觀.但根據單擺的周期公式T=2πLg可知,T與L不可能是一次函數關系,故圖6不正確,圖7正確.由此可見,已有的背景知識為我們作圖提供了一定的線索.
2.1.5 提高解釋圖像規(guī)律的語言表達能力
用語言來表述物理規(guī)律,描述物理現象是物理實驗考查的難點之一.有時需要學生指出實驗中的不當之處,如“該同學正確選擇儀器后連接了以下電路,為保證實驗順利進行,并使測量誤差盡量減小,實驗前請你檢查該電路,指出電路在接線上存在的問題”;有時是考查實驗誤差的相關內容,如“寫出一條提高測量準確度的建議”;有時是考查相關的實驗儀器的選擇,例如“為了更好的測量勁度系數,在選用鉤碼時需考慮的因素有哪些”.與圖像有關的語言表述題主要是描述圖像的特征,比較圖像,解釋圖像形成的原因.我們可以從問題的設置入手,通過與反例對比尋求突破.
(1)從問題的設置入手作答
例3 為了探究受到空氣阻力時,物體運動速度隨時間的變化規(guī)律,某同學采用了“加速度與物體質量、物體受力關系”的實驗裝置.實驗時,平衡小車與木板之間的摩擦力后,在小車上安裝一薄板,以增大空氣對小車運動的阻力.從紙帶上選取若干計數點進行測量,得出各計數點的時間t與速度v的數據,畫出小車的v-t圖,如圖8所示.通過對實驗結果的分析,該同學認為:隨著運動速度的增加,小車所受的空氣阻力將變大,你是否同意他的觀點?請根據v-t圖象簡要闡述理由.
在處理此問題的過程中,首先明確此小題有兩個小問題,即“是否同意”和“根據圖象簡要闡述理由”.在此基礎上,首先明確他的觀點是正確的,即“同意”,進行解釋“在v-t圖象中,速度越大時,加速度越小,小車受到的合力越小,則小車受空氣阻力越大.”
(2)與反例相比較突破
例4 在探究單擺的振動周期T和擺長L的關系實驗中,根據實驗數據畫出T-L的圖像如圖9所示,根據此圖像,你能得到關于單擺的周期與擺長關系的哪些信息.
面對此問題時,學生感覺無從下手,應該從哪些方面入手進行闡述.
我們可以通過熟悉的已知圖像找到突破點.學生在實驗的過程中,比較熟悉的圖像如圖10所示,在 圖像中是過原點的一條直線,那么,從這條直線,我們可以獲取哪些信息?首先,擺長越長,周期越長.其次,T2與L成正比或成線性關系,其比例函數是一個確定的值.那么,在圖9中,類似的可以表述為:擺長越長,周期越長(簡單的定性描述);周期與擺長是非線性關系(半定量描述);隨著擺長的增加,周期增加,周期增加量與擺長增加量的比值在減?。鑼懹懻撟兓厔?,更進一步).
2.2 改變實驗復習的策略
2.2.1 走進實驗室
學生走進實驗室,對于考試說明上的實驗進行具體操作,熟悉實驗操作的步驟,務必對實驗各環(huán)節(jié)爛熟于心.
2.2.2 找錯誤
將學生在畫圖過程中典型問題,通過拍照的形式記錄下來,然后在上課時通過多媒體,讓學生自己進行評價.在描繪小燈泡的U-I圖像中,幾位同學畫出了不同的U-I圖象,有的未用滑塊的曲線連接各點;有的圖線未進行延伸;大部分的圖像比較完美.
3 有的放矢,逐步提高物理實驗圖像處理能力
通過以上的復習策略,逐步提高學生物理實驗圖像的處理能力.
3.1 細化實驗復習內容,提高復習的有效性
在高三的復習過程中,如何對物理實驗進行復習,這是一個非常值得探討的問題.在一輪復習中,學生在教師的引領下,結合《考試說明》,對每個實驗進行了逐個復習.那么,在物理二輪復習的過程中,如何復習實驗呢?若再次對實驗進行逐個復習則時間上不允許,復習效率也不高.這就要求我們研究考題,采取適當的措施,對實驗進行針對性復習.結合以往學生作圖不夠規(guī)范、不知道畫直線、光滑的曲線還是折線、語言表達能力薄弱、不夠嚴謹細致等問題,采取了明確實驗中常用圖像的作圖規(guī)范、強調從圖像獲取信息的一般步驟、研究表示探究規(guī)律的不同圖像、作圖時耐心作圖、提高解釋圖像規(guī)律的語言表達能力等措施,教師與學生都感覺教學效果較好.
3.2 改變復習策略,提高復習的針對性
改變以往“紙上談兵”的復習模式,讓學生對已做實驗重新進行操作,熟悉實驗步驟,明確實驗注意點.學生在考試中實驗題的得分率逐步提高,取得了一定的效果.