控制变量法缺点,控制变量法的通俗举例

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-11-09 00:37:22

​​一、引言

​​昨天分享号主对2021年理综乙卷第23题的分析思考(https://mp.weixin.qq.com/s/yl81uzzH7ZKKmxXPQsTiMg)。一位朋友阅读后,与号主进行了交流,今天结合朋友的交流,继续一些思考,以作再评析。

控制变量法缺点,控制变量法的通俗举例(1)

(QQ交流情况)

​​二、真题

控制变量法缺点,控制变量法的通俗举例(2)

控制变量法缺点,控制变量法的通俗举例(3)

​三、解析

​​1、号主解析

控制变量法缺点,控制变量法的通俗举例(4)

2、朋友解析

控制变量法缺点,控制变量法的通俗举例(5)

朋友最后一步数据代入错误,更正后计算结果是E=1.60伏,r=2欧。

​四、评析

同样的测量对象使用同样的测量工具,但不同的人都在完全正确的测量操作下,测出的结果亦会略有差别,这就是测量误差,也称为偶然误差。同样的实验数据运用不同的数据处理方法得到的实验结果可能会有所不同,这反映了不同处理方法之间的差异,乃至优劣之别。但是,即使采用同样的数据处理方法,不同的人都在正确的计算操作下所得计算结果也可能略有差异,这就是计算误差。有的时候,由于计算步骤次序不同,历经多次近似处理后,得到计算结果的差异达到“惊人”水平。使用计算器计算会好很多,但是有时候也同样会出现计算误差情况。

以上实验认知在一定程度上也体现了科学探究素养。非常遗憾,正如昨天评析所言,由于高考实验题几乎都知识化了,于是师生平时不做实验,也就无法切身体会实验过程,更不能体验不同实验方案的优劣,也无法体验不同数据处理方法的优劣…

事实上,由于不同实验目的,不同实验条件和不同精度要求,实验方案设计将不同,数据处理方法选择也将不同。

今天着重讨论实验数据图像处理法的优缺点,并在这个基础上对乙卷23题进行再评析。

​1、图像法的优点

物理图像的最大优点是直观形象。众所周知,物理实验总是通过控制变量法把多物理量之间的关系变为两个物理量之间的关系。就操作性而言,实验的本质正是物理量的测量。所谓测量数据正是所关注两物理量一一对应的成对测量值。大多数人,对数字并不敏感,从测量数值无法看出两物理量之间的关系;相反,几乎所有人对图形(包括图线)较为敏感,特别是对直线图线非常敏感,因此在数据处理时运用图像法处理,而且必要时对数据进行数学运算操作后变曲线为直线图线,继而直观观察两物理量之间的关系。所以,探究性实验中对实验数据进行处理,最适宜选择图像法。

由于种种原因,有些实验数据可能存在异常,异常数据一般认为是测量或记录错误导致。为了使实验结论更可信,有必要把异常数据筛选出来剔除掉。那么,如何才能更有效地筛选掉异常数据呢?答案是运用图像法能够很好地筛选掉异常数据。当然,并不是每一次实验一定会有异常数据;严格地讲,严谨、规范实验所得实验数据极少存在异常情况。所以,运用图像法是检验实验数据是否异常的重要实验方法。

绘制实验数据图像,也称为对实验数据进行图线拟合,具体操作是:如果描绘数据点是曲线趋势,则用平滑曲线拟合;如果描绘数据点是直线趋势(对于验证性实验或测量性实验,从理论上已知数据点的图线趋势),则用直线拟合,数据点尽可能位于拟合图线上或平均分布于拟合直线两侧。其中,让数据点平均分布于拟合直线两侧,在一定程度上具有“平均”意义,即具有多次测量取平均继而减小偶然误差的作用。因此,数据点不能太少,否则就达不到取平均减小误差的实验要求。另外,运用物理图像获得实验结论,往往从物理图像的斜率、截距等要素中提取,为了计算斜率更精确,应该取图线上两个相距较远的两个点进行计算(注意:不一定或尽可能不要取实验数据点作为斜率计算的两个数据点)。

​2、图像法的缺点

运用图像法处理数据,需要标准的坐标纸,否则数据处理结果的信效度得不到保证。另外,坐标纸面积要足够大,以确保标度合适继而起到信息输入(绘图)和输出(读取)准确。

另外一个缺点不值一提,但还是提一下:运用图像法增加了描点绘图操作,即增加了操作步骤;再加上需要购买标准的坐标纸,增加了实验成本。这些本不应该是理由的理由,导致了师生不待见图象法处理实验数据环节,这一点也是值得教学管理者注意的事项。

正如昨天评论指出,乙卷23题虽然考查了图像法,但是并未能很好地考查图像素养,因为图像操作基本上由命题人代替了。然而,今天还是从图像视角,对23作一点补充分析:

①从图像来看,实验数据点基本上是直线趋势,数据点几乎都落在拟合直线上。可见,实验数据不存在异常情况,从这个意义上而言,可以任选两组数据进行计算,继而得到实验结论。朋友就采用了两个实验数据点进行计算,所得结论应该具有可信度。但是,但是,实验结果似乎与命题人题设(内阻<2欧)相悖。就这一点,值得命题人与做题人一起反思。事实上,如果具有严谨地实验态度,那么应该采用不同实验数据进行多次计算,然后取平均值。就这一点,在时间紧张的情况下,在考场上如此“严谨”,或许得不偿失。有些学者,呼吁物理学科考试时间恢复2小时,甚至更长,这是有道理的。

②号主隔着屏幕读取信息,做了多次计算,发现计算结果差异较大,特别是内阻计算差距大。也就是说,内阻测量误差较大。真正分析起来,这也是可以理解的,经过间接测量内阻误差较大,但最大的测量值(号主计算时有一次为2.4欧)也比外电路电阻小的多的多。从这个意义而言,命题人题设要求内阻<2欧,似乎是一个很不合理的题设条件。号主建议修改为2欧左右。

③号主未能看到高考卷原件,因此无法对坐标方格和描点绘图进行评论。在这里提出,目的就是提请注意:坐标方格是否标准,标度是否合适,描点是否精细,绘图是否细致,这些都会影响实验结果。当然,命题人为了体现描点操作,有意把圆形点修改为正方点,这是考卷“特点”,是没有办法的。有些考卷要求考生在考场上描点,那么建议考生不要用圆形点(也不要用正方点),而是打❌点。号主要说明的是,在实际实验作图时“加粗”描点并不是一个值得提倡的作图操作,因为“加粗”本身是扩大了作图误差的操作。

​​五、启示

在实验题中考查图像素养,应该尽可能体现绘图操作素养,就绘制坐标轴、确定坐标交点和标度,根据实验数据描点、排除异常数据,拟合图线等环节进行考查。当然,答题卡上应该提供标准的合适的坐标方格。

当然,仅仅考查图像信息读取也未尝不可,但是给定实验图像一定要准确,文字题设条件的描述不能与此相矛盾。

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