物理实验中表格数据的处理与使用

韦中燊 娄可华

数据是实验的重要组成部分．数据处理问题也是实验类试题最常考查的方面．就目前出现的大部分物理实验试题来看,用表格的形式呈现数据是最常见的形式．认识表格数据的主要用途和常见考查角度,对于提高物理实验试题的答题成功率有着重要意义．

1 用表格数据考查控制变量法

实验的结论很多时候需要通过分析数据才能得到．分析数据的时候,又需要依据一定的物理方法．在高中阶段的物理实验数据分析中,控制变量法是最常见的分析方法．而表格数据,正是展现控制变量法的主要形式．

表1

由表中数据得出的论断中不正确的是( ).

A. 两组实验采用了不同频率的入射光

B. 两组实验所用的金属板材质不同

C. 若入射光子的能量为5.0eV,逸出光电子的最大动能为1.9eV

D. 若入射光子的能量为5.0eV,相对光强越强,光电流越大

分析本题是一道利用表格数据进行实验结论深入分析的典型试题,其中选项B、D考查的就是控制变量法的应用,要求考生不仅知道控制变量法,更要做到真正理解．想要判断两组实验所使用的金属材质是否相同,首先要明白金属材质在这些数据中是怎么体现出来的．很显然,表格中并没有直接反映金属材质的数据,所以需要考生对光电效应有基本认知,知道入射光子能量与逸出光电子的最大动能之间的差值,正好等于金属材质的逸出功．在这里,金属材质的逸出功是一个隐藏的第三变量．在此基础上进一步分析,就可以发现,其实两组实验所用的金属材质是相同的．所以,选项B的表述是错误的,而该选项正是本题答案．

选项D虽然可以直接利用平时所学进行判断．严谨地说，应通过表格数据判断在被照射金属材质一样,入射光子能量一定时,光电流大小与光的相对强度之间的关系是一种正相关,即相对强度越大,光电流越大．同样的规律,在入射光子的能量是4.0eV和6.0eV时都成立,那么在5.0eV时也应该成立．

对于选项A,直接分析表格中的入射光子能量数据就可进行判断．选项C实际上与选项B有关联关系,在明确选项B中提及的金属材质问题的同时,已经可以直接得到该金属材质的逸出功,然后再利用爱因斯坦光电效应方程,就可以轻松得到选项C中的结论．

2 用表格数据信息判断滑动变阻器的接法

在电学实验中,电路的选择是常考内容之一,电路选择问题一般会涉及电流表的接法选择和滑动变阻器的接法选择．常规的电学实验中,关于滑动变阻器的接法,主要有两种:分压式接法和限流式接法．那么,具体实验中,到底选择哪一种接法呢?选择的依据有很多,而表格正是呈现有关数据的主要形式．

表2

由以上实验数据可知,他们测量Rx是采用图1中的图________(填“甲”或“乙”)．

图1

3 表格数据是描点作图的信息依据

描点作图也是实验试题中经常考查的内容之一,是一种重要的数据处理方法．建立在图象基础上的数据分析,具有很强的直观性,更有助于规律的发现．以学生在高中阶段所具有的图象分析能力,最便于分析的图象应该是一次函数的直线图象,其次是光滑的曲线图象.前者可以定量定性分析,后者基本只能定性分析．有这样的认识,就可以避免画出乱七八糟的连点折线图来,因为那样的图象是无法清晰地反映出规律的．

描点一般情况是根据试题所提供的表格数据进行的．在利用表格数据描点的时候,要注意一一对应的关系．另外,还要知道描点作图处理数据的另外一个好处,就是可以剔除偶然误差过大的数据,即图象上出现的“坏点”．

表3

分析本题就是一个非常典型的利用表格数据描点作图的问题,而且,在描点作图的基础上,还进一步考查了剔除“坏点”的问题．如果不是利用描点的方式将表格数据直观呈现出来的话,要想发现数据误差较大的对应时刻并不是一件轻松的事情,但通过描点,结果就一目了然了．具体所得U-t图象如图2所示.

图2

从图象中能够发现,第40.0s的数据误差较大．另外,描点作图时要注意以下几点:描点要清晰、连续、光滑，争取一步到位,切忌反复涂抹或画得过粗．

4 利用表格数据归纳相关实验结论

高中阶段的实验,无论是探究性的,还是验证性的,其实实验的结论基本都是明确的．实验结论一般依赖于实验所获得的数据．上面提到的依照数据描点作图,目的也是为了寻找规律,归纳结论．有的时候,我们也可以直接从数据中归纳实验结论,这也是表格数据的基本用途之一．

表4

根据测量数据,可判断连接电源的线圈是________(填“a”或“b”)．

分析表格数据是分析本题的重要依据．认真观察表格数据,会发现Ub与Ua的数值比总是大于2,比对应的线圈匝数比要大,而按照理想变压器的规律,电压比值应该与匝数比值一样．当然,实验中的变压器不可能是理想变压器,必然有诸如磁漏、铁芯发热、导线发热等情况导致热量损失,所以会出现输入与输出电压比值增大情况．可见连接电源的只能是线圈b．如果连接电源的是线圈a,那么实验数据将会是另外一种情况,Ub与Ua的数值比必将小于2．

5 小结

实验的目的是探索未知,寻找规律．高中阶段的实验,更主要的是验证规律,同时培养学生的实验操作能力、数据分析能力、实事求是的科学态度、相关的一些科学分析方法，等等．其中,数据的分析处理能力,是必不可少的内容．

数据对于实验来说,具有非常重要的意义．数据、图象和现象是实验结果呈现的几种重要方式．对于高中阶段的学生来说,抓住了数据,利用好数据,不仅有助于分析实验试题,也是实验能力的一种体现．

考试的目的不仅仅是为了获得高分,或者用来选拔，其也是培养人的一种途径．做题不能仅仅为了做题,要体验试题背后潜在的育人意图．

链接练习

在研究平抛运动的实验中,某同学记录了小球运动过程中经过的A、B、C、D、E、F、G点的位置,相邻两点的时间间隔均为Δt=0.05 s．取A点为坐标原点,以+x方向表示水平初速度方向,以+y方向表示竖直向下方向,实验记录如下表．

表5

图3

(1)作出x-t图象如图3-甲所示,小球平抛运动的水平初速度大小是________m·s-1;

(2)根据表格中数据可知,t=0.10s时,小球的竖直分速度大小是________m·s-1;

链接练习参考答案

(1)0.5; (2)1.57; (3)m·s-2;9.72.