關(guān)于物理的學(xué)術(shù)論文范文(2)
關(guān)于物理的學(xué)術(shù)論文范文
關(guān)于物理的學(xué)術(shù)論文范文篇二
物理量的測(cè)量及物理學(xué)的本質(zhì)
一、引言
物理學(xué)是一門測(cè)量科學(xué).[1]物理學(xué)家們首先創(chuàng)造出合適的物理量作為研究工具，然后通過(guò)對(duì)物理量的測(cè)量去找出規(guī)律或與事先假定的物理理論所預(yù)測(cè)的值去比較.這是物理學(xué)最核心的內(nèi)容，也是物理學(xué)的本質(zhì).[2]
2015年浙江省高考理科綜合卷第22題(以下簡(jiǎn)稱浙江卷第22題)的圖2給學(xué)生展示了四只電表所顯示的通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器所得到的兩組電流表與電壓表的示數(shù)(見(jiàn)圖1)，要求學(xué)生根據(jù)這四個(gè)示數(shù)來(lái)計(jì)算小燈泡在滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)前后的電阻值.這題貼近實(shí)際(表的示數(shù)是根據(jù)實(shí)際拍攝的)，考查學(xué)生在測(cè)量中所表現(xiàn)出來(lái)的操作能力(讀數(shù)和計(jì)算)，更為重要的是，它強(qiáng)調(diào)了測(cè)量在物理學(xué)中的重要性.可是，在所給出的權(quán)威性參考答案中，[3]筆者認(rèn)為其在測(cè)量和誤差理論方面存在問(wèn)題.如果以此答案為評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致閱卷中的差錯(cuò)和不公平，更為重要的是，它會(huì)使人們對(duì)測(cè)量原理和物理學(xué)的本質(zhì)產(chǎn)生誤解.
為此，本文將從信息、測(cè)量和誤差的基本理論著手，通過(guò)對(duì)浙江卷第22題的參考答案的分析，來(lái)闡述物理學(xué)作為一門測(cè)量科學(xué)的本質(zhì)，從而引起物理課程標(biāo)準(zhǔn)的制訂者、物理教材編寫者和廣大物理教師對(duì)測(cè)量教學(xué)在物理教育中的重要性的關(guān)注.
二、測(cè)量是獲取信息的過(guò)程
根據(jù)信息學(xué)的原理，人們通過(guò)一定的方式向信息源獲取一定量的信息.信息源所含的符號(hào)越多，人們每得到一個(gè)符號(hào)所獲取的信息量就越多.因此，在信息學(xué)中，信息量的單位1比特是這樣定義的：一個(gè)具有兩種不同符號(hào)的信息源每發(fā)射一個(gè)符號(hào)所傳遞的信息量為1比特.比如，交通信號(hào)燈(紅-綠燈)是一個(gè)含有兩種不同符號(hào)的信息源.當(dāng)我們接收到其中一個(gè)符號(hào)時(shí)，比如綠燈亮?xí)r，我們就獲得了1比特的信息量.同理，一個(gè)具有4種不同符號(hào)的信息源每發(fā)射一個(gè)符號(hào)所傳遞的信息量為2比特.以此類推，一個(gè)具有Z種不同符號(hào)的信息源每發(fā)射一個(gè)符號(hào)所傳遞的信息量H為：
當(dāng)我們測(cè)量某個(gè)物理量時(shí)，我們就從測(cè)量工具那里得到了一定量的信息.比如，一臺(tái)廚房用的臺(tái)秤最多可稱2千克的質(zhì)量，它的最小讀數(shù)是10克.因而，關(guān)于“物體的質(zhì)量有多大”的問(wèn)題，這臺(tái)臺(tái)秤可以做出200種不同的回答.那么，相應(yīng)的符號(hào)數(shù)為200，與答案相應(yīng)的信息量約為8比特.再比如，一般的溫度計(jì)的精確度為1℃.如果它的測(cè)量范圍是-30℃到90℃，則相應(yīng)的符號(hào)數(shù)為120個(gè).當(dāng)我們測(cè)得一個(gè)溫度值時(shí)，我們就接收到了7比特的信息.測(cè)量?jī)x器的精確度越高，測(cè)得一個(gè)值時(shí)所接收的信息量就越多.粗略地說(shuō)，一個(gè)測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的信息量大約為10比特.[4]
現(xiàn)行中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中沒(méi)有涉及信息學(xué)的知識(shí)，這就導(dǎo)致教師無(wú)法向?qū)W生講清測(cè)量的這一信息學(xué)本質(zhì).在普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[5]和現(xiàn)行普通高中物理教材[6]中，教師和學(xué)生只能籠統(tǒng)地知道物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，他們不會(huì)關(guān)注到物理實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是測(cè)量，而測(cè)量是獲取信息的過(guò)程.有些師生甚至對(duì)物理學(xué)形成這樣的印象：物理定律是數(shù)學(xué)推導(dǎo)的結(jié)果，物理學(xué)家們所做的工作僅僅是像做習(xí)題一樣的一種數(shù)學(xué)演算.為此，我們強(qiáng)烈建議，在高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中，應(yīng)適當(dāng)引入信息學(xué)的基本知識(shí)，從而使教師和學(xué)生加深對(duì)物理學(xué)本質(zhì)的理解.
三、測(cè)量值總是一個(gè)區(qū)間
在解釋為什么需要測(cè)量時(shí)，我們通常抱有這樣的觀念：在測(cè)量前這個(gè)值是未知的，在測(cè)量后這個(gè)值是已知的.實(shí)際上，這是一個(gè)錯(cuò)誤的觀念.首先，在測(cè)量前我們對(duì)物理量的值并不是一點(diǎn)也不知道.其次，在測(cè)量后我們并不知道物理量的真實(shí)值.測(cè)量值總是一個(gè)區(qū)間(圖2).在用儀器測(cè)量前，我們知道這個(gè)值是某一較大的區(qū)間.在用儀器測(cè)量后，我們?nèi)灾恢肋@個(gè)值是某一區(qū)間，但這個(gè)區(qū)間比用儀器測(cè)量前的要小了.如果用儀器測(cè)量后這個(gè)區(qū)間明顯地縮小了，我們說(shuō)這是一個(gè)好的測(cè)量;如果這個(gè)區(qū)間只縮小了一點(diǎn)點(diǎn)，我們說(shuō)這是一個(gè)不好的測(cè)量，或不精密的測(cè)量.
人本身也是一個(gè)測(cè)量工具，人通過(guò)感官來(lái)“估計(jì)”也是一種測(cè)量，也能獲得信息.物理學(xué)雖然是一門定量科學(xué)，但它并不是一門精確的科學(xué).物理學(xué)家并不能確定某個(gè)物理量的真實(shí)值，而只能借用精密的測(cè)量?jī)x器和根據(jù)他們的判斷能力來(lái)縮小物理量的測(cè)量值的區(qū)間，從而獲取更多的信息.
根據(jù)這一考慮，我們可以來(lái)定義一個(gè)表征對(duì)量X測(cè)量的好壞的數(shù)，這個(gè)數(shù)就是測(cè)量前后的兩個(gè)區(qū)間的比值，即.
由于H表示在測(cè)量中所獲得的信息量，所以它的單位為信息量的單位.這個(gè)量告訴我們，在測(cè)量中，物理量的值的信息量增加了多少比特(bit).比如，在測(cè)量一支鉛筆的長(zhǎng)度時(shí)，假定在用儀器測(cè)量前我們用肉眼測(cè)出這支筆的長(zhǎng)度不會(huì)小于10cm，也不會(huì)大于20cm.用尺子測(cè)量后我們知道這支筆的長(zhǎng)度在10.5cm和10.6cm之間.我們來(lái)計(jì)算在用尺子測(cè)量這支鉛筆的長(zhǎng)度中所獲得的信息量：
而在權(quán)威發(fā)布的參考答案中所給出的不是一個(gè)區(qū)間，而是四個(gè)值：0.10A、0.24A、0.27V和2.00V. 顯然，如果學(xué)生的答案落在上述區(qū)間內(nèi)，我們應(yīng)認(rèn)為其答案是對(duì)的.尤其是對(duì)于第4只表的讀數(shù)(即U1的測(cè)量值)，參考答案給出了“0.27V”.如果學(xué)生讀出0.25V、0.26V或0.28V是否會(huì)被認(rèn)為是錯(cuò)的呢?
四、誤差傳播是有規(guī)律的
在現(xiàn)行教材中，普遍把測(cè)量值跟被測(cè)物理量的真實(shí)值之間的差異叫作誤差(error).[6]根據(jù)前面所述，真實(shí)值是不存在的，我們所能測(cè)得的總是一個(gè)區(qū)間.誤差包括系統(tǒng)誤差(systematic error)和偶然誤差(random error)，而系統(tǒng)誤差又包括儀器誤差、理論(方法)誤差和個(gè)人誤差.在某次直接測(cè)量中，我們可以根據(jù)測(cè)量?jī)x器的精確度知道此儀器所導(dǎo)致的儀器誤差.比如，在用上面所提到的四只表測(cè)量時(shí)，僅由這些表所產(chǎn)生的絕對(duì)誤差分別為δI1=δI2= 0.01A，δU1=δU2=0.05V.
這里所指的絕對(duì)誤差，其實(shí)就是某一測(cè)量值的不確定范圍的一半(uncertainty).它不同于對(duì)同一物理量的兩個(gè)測(cè)量值之間的差異(discrepancy)(圖3).因此，對(duì)某個(gè)量多次測(cè)量后，可以用其平均值來(lái)代表所有測(cè)量值.測(cè)量次數(shù)越多，這個(gè)平均值與任何一次測(cè)量值之間的差異會(huì)越小.然而，不管測(cè)量次數(shù)有多少，最后只能用一個(gè)值(平均值)來(lái)代表這個(gè)量的測(cè)量值.
根據(jù)相應(yīng)的公式通過(guò)對(duì)直接測(cè)量值的計(jì)算得到某一物理量的值，這一過(guò)程叫作間接測(cè)量.直接測(cè)量值的誤差會(huì)在計(jì)算過(guò)程中進(jìn)一步傳播，并產(chǎn)生新的誤差，這一過(guò)程叫作誤差傳播(error propagation).對(duì)于不同的計(jì)算公式，誤差傳播的規(guī)律是不同的.下面是幾個(gè)常用的誤差傳播公式：
而參考答案中所給出的R1和R2的值分別為(2.7±0.1)Ω和(8.3±0.1)Ω.顯然，參考答案的作者沒(méi)有用誤差傳播公式來(lái)計(jì)算這兩個(gè)間接測(cè)量值，而隨意地在±號(hào)后面定了0.1這個(gè)數(shù).這將給考生帶來(lái)一定的不公正性.盡管在高中物理教學(xué)中我們并不要求給學(xué)生講誤差傳播知識(shí)，但作為參考答案中的間接測(cè)量值，還是要根據(jù)誤差傳播公式來(lái)計(jì)算的.
五、結(jié)束語(yǔ)
物 理學(xué)是一門測(cè)量科學(xué).物理學(xué)家們通過(guò)對(duì)物理量的測(cè)量來(lái)獲取信息.對(duì)任何物理量的測(cè)量值都是一個(gè)區(qū)間.測(cè)量值的區(qū)間是我們不斷探索的空間.我們建議，在高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中，應(yīng)增加信息學(xué)的內(nèi)容(建議將信息學(xué)的內(nèi)容和振動(dòng)與波的知識(shí)合在一起)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)測(cè)量在物理學(xué)中的重要性，適當(dāng)增加測(cè)量的原理、誤差分析等知識(shí).這是學(xué)生理解物理學(xué)本質(zhì)所必需的知識(shí).
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