(2)圖象是分析中的關鍵整個分析過程是引導學生進行探索,我們先讓學生看如表3的數據。〔注3〕從表3中的數據可以看出,對一定深度的水(如h0=300cm),孔徑越大,則排盡水的時間越短,但是看不出它們之間明確的函數關係,為了分析實驗數據,我們常常利用圖象,圖象很直觀,它不僅能表現已測得的物理量之間的定性關係,而且能向人們顯示這種關係的變化趨勢,能為我們尋求物理量之間的函數關係提供線索。
圖2表示排盡水的時間t與排水孔直徑d的關係。
從圖中雖然看不出t與d之間的函數關係,但圖2給了我們啟示:t與d是不是反比關係呢?曲線有點兒像反比例函數的雙曲線,既然有點兒像,我們應當對它鑒別一下,但是我們很難用標準雙曲線來鑒別一條曲線。
然而,我們考慮到,t與d的反比關係可以用t與1/d的正比關係來鑒別,而正比例函數(以及一般的線性函數)的圖象是直線,我們可以用直尺很容易地鑒別它,這就是我們在處理物理數據時常作直線圖象的原因。
(3)作業是分析的深入學生在課堂上嚐到了分析實驗數據的甜頭,培養了運用圖象分析問題的能力,這時候學生是處於興致高、鑽研勁頭足的狀態,我們當然可以布置這樣一道作業:求盛水深度為100厘米時排盡水時間與排水孔直徑d的關係式,雖然學生也能用圖象法最後求出t=945/d2,但是他們會覺得索然無味,因為在結論已經知道了之後,生動有趣的探索過程變成了簡單的機械模仿。
為此,我們建議布置這樣一道作業讓學生繼續探索:根據本文表3中的數據,研究當排水孔大小不變的情況下,排盡水時間與盛水深度的關係。
有了課堂教學的基礎,學生學會了運用圖象的工具,在分析t與h0、與h0的平方、h0的立方成正比失敗之後,會找出t與hn成正比並用圖象進行驗證(如圖5、附表6)。我們認為這樣做正好充分發掘了教材的思想性、科學性,考慮了學生接受能力的一次更好的實踐,這才是一次離開教師與教科書提示的獨立的、真正的練習。[注5]〔注1〕這裏的溫度T隨時間t變化的規律為T=20+80(12)1t)〔注2〕把教科書第334頁表格中的數據代入此式,取σ水=06,可求得該實驗的容器直徑為20cm。〔注3〕這個表是甲種本第334頁表中的數據,我們增加了12個數據,目的在於讓學生探索排盡水時間隨水深度變化的關係。〔注4〕應當補充作這個t-1/d圖象,這樣做符合學生的認識規律。〔注5〕從本文的分析可知,實驗一練習分析實驗數據與實驗二——五關係不大,似有脫節現象,所以我們建議實驗一移至實驗六或實驗八之前進行。
學生實驗數據的圖象處理方法
在高中物理必修本中有如下六個學生實驗:
①測定勻變速直線運動的加速度;②用單擺測定重力加速度;③測定金屬的電阻率;④用電流表和電壓表測定電池的電動勢和內電阻;⑤測定玻璃的折射率;⑥測量凸透鏡的焦距。
這六個實驗占必修本全部學生必做實驗的一半。其共同特點是,實驗的最終結果都需通過對其它幾個有關物理量的測量後間接得出,教材除第4個實驗介紹了圖象法處理數據外,其餘五個實驗都隻介紹了計算法處理數據,其中,某些具體算法技巧學生普遍感到不易理解,如上麵第一個實驗,教材用a1=s4-s13t2,a2=s5-s23t2……處理數據,為什麼?再如第三個實驗,教參裏介紹的具體算法是,將測量的六對I、U值,第一和第四為一組,第二和第五為一組,第三和第六為一組,分別求出三對ε、r值,再分別算出它們的平均值,為何不按第一和第二為一組,第三和第四為一組,第五和第六為一組聯立求解呢?按教參上的解釋,學生理解起來同樣感到困難。
鑒於實際存在的這些問題,廣東珠海市四中曹勁老師綜合分析了上麵六個實驗的數據特點,將它們都改成用圖象法處理數據,能較好地解決上述矛盾,並逐一說明了各實驗中處理數據的具體做法和特點:
第一個實驗,將原來的測位移和時間改為測量即時速度和時間,紙帶上某計數點對應的即時速度,可通過量出該點前後相鄰兩計數點間的距離,除以時間2T求得。由公式vt=v0+al,可看出,vt和l是線性關係。測出多組數據,在坐標紙上建立v-l坐標,描出數據點,由於存在誤差,這些點有一定的離散性,並不都在一條直線上,作一直線讓各數據點盡量靠近直線,且分布在直線兩側的點數大致相等,見圖1。這樣作的直線實際上包含了對各組數據取平均的過程,又回避了較多的計算過程。這一方法在下列各實驗中是相同的,學生也易理解。從圖1得出△v和△l,其比值△v△l就是所測的加速度。