大数据时代下的中学物理实验数据处理探索

1、PAGE PAGE 6大数据时代下的中学物理实验数据处理探索连云港外国语 张新屏【摘要】：中学物理实验处在大数据时代之下，如何利用数据处理软件，利用数据处理方法，物理模型的建立，是物理数据处理的主要问题。通过具体的物理实验，中学物理实验数据需要数据拟合、误差分析、数据挖掘；物理模型的建立需要利用编程软件，建立数学和物理模型。数据软件联系excel、spss等进行数据处理。某大公司正在进行人员的招聘，共提出了三个问题：1你的学历是什么？2你有工作经历吗？3你会熟练使用数据分析软件吗？（excel、spss等）看似寻常的问题，其实蕴含着很多的道理。学历是一个人的学习过程，是从事工作的基础；工作经验

2、是从事过相关的工作，已经达到的熟练程度；分析软件的使用是大数据时代的背景下的要求，是从事相关工作的媒介。数据分析已经扩展到生活的方方面面，数据软件的使用是社会发展的必然。当今的社会，人类已经步入数字时代，大量的数据存在人类社会之中，人们已经能够利用数据去判断对错、分析得失，甚至推测发展的规律性。依靠先进的技术设备，先进的分析仪器，强大的分析软件，摆脱了“先知”的先见之明。中学物理实验数据处理，限于技术和方法的限制，提倡动手操作，观察实验现象,由现象或者较少的数据形成猜想，进行推理得到物理规律。其物理实验数据缺少准确性，带有猜测性和不稳定性。在认识上带有抽象性和不可理解性，造成学生学习的困难。计

3、算机技术的迅猛发展，解决了以往面对大数据处理过程的难点，数据软件也可以同样移植到物理实验的处理上。中学的物理实验，必须随着社会的发展而发展。在实验当中，必然要面对大量的实验数据。面对实验数据，有哪些是有用的，哪些是反映物理实验规律。这就要利用现有的先进设备，改进实验分析方法，引入强大的分析软件，进行大量数据的分析统计，进行数据挖掘，建立数学模型，形象的得到物理规律。1大数据下物理实验数据处理的方法探索例：当小灯泡发光时其灯丝HYPERLINK / o 全品高考网的电阻会随着发光亮度HYPERLINK / o 全品高考网的变化而发生变化。某同学为研究这一现象，按照自己设计HYPERLINK /

4、o 全品高考网的实验电路测量小灯泡HYPERLINK / o 全品高考网的电流I和电压U，得到如下表所示HYPERLINK / o 全品高考网的数据。I（A）0.120.220.290.340.380.420.450.470.490.50U（V）0.200.400.600.801.001.201.401.601.802.00（1）请你根据上表数据HYPERLINK / o 全品高考网的特点，在虚线框中画出实验电路图。可用HYPERLINK / o 全品高考网的器材有：电压表、电流表、滑动变阻器（变化范围010）、电源、小灯泡、电键、导线若干。（2）在图示坐标纸上画出小灯泡HYPERLINK /

5、 o 全品高考网的UI曲线，并定性分析灯丝HYPERLINK / o 全品高考网的电阻与灯泡发光亮度HYPERLINK / o 全品高考网的变化关系 。如果将上面实验中使用HYPERLINK / o 全品高考网的小灯泡接在电动势是1.5V，内阻是2.0HYPERLINK / o 全品高考网的电源两端，利用上面HYPERLINK / o 全品高考网的UI曲线可求出小灯泡HYPERLINK / o 全品高考网的实际功率是 W，电源效率为 。中学物理实验要求实验时的物理数据至少有三组，实验的误差较大。该实验有10组数据，虽然这个实验数据没有达到海量的程度，但是我们还可以从这些数据中找到物理实验的数据

6、处理方法。1.1、曲线拟合（数学模型）：如图1，将各个数据点输入excel软件，各点的位置如图所示，十个点的分布就形成一定的规律性。中学物理通常是正比和反比的关系，所以用平滑的曲线将几个点连接起来，得到图2的数学模型。数据软件中称数据拟合，主要是采用数学模型的方法，探究符合的数学规律。数据拟合是物理和数学相结合的一个方面。 图1 图21.2、误差分析：利用图2的数学模型，采用计算机的分析方法，得到电压和电流的关系式： U=（5.0923）I(1.6068)，该关系式只是和数学模型拟合的较好，但是是否完全满足则需要进行误差分析，了解误差的原因，找到拟合的相似程度。通过该拟合曲线，分析数据起点，近

7、似的经过（0，0），其误差为系统误差，误差值较小，可以画为经过（0,0）的曲线。1.3、图表数据分析:由数据图线和表格数据可知，灯泡电阻约为2-4，远小于电压表内阻，应采用电流表外接法；由表格中HYPERLINK / o 全品高考网的第一组数据可知，要取到0.12AHYPERLINK / o 全品高考网的电流，滑动变阻器需用分压式接法。由描绘出HYPERLINK / o 全品高考网的图象观察可得，UI图象HYPERLINK / o 全品高考网的斜率越来越大，故灯丝电阻随发光亮度增加而变大。1.4、数据挖掘：灯泡和电源串联HYPERLINK / o 全品高考网的电路如上图所示，作出U=EIrHY

8、PERLINK / o 全品高考网的图线如图中倾斜直线，根据两图线交点HYPERLINK / o 全品高考网的物理意义可知，此时电源和灯泡HYPERLINK / o 全品高考网的电流为0.35A，灯泡工作电压为0.80V，因此小灯泡HYPERLINK / o 全品高考网的实际功率为P=UI=0.28W。电源效率为100%=100%=53%。物理实验数据的处理必须和计算机紧密结合。以前的物理实验数据，多数是靠手画，图线的连接精确程度不高，分析规律不容易。计算机实验数据的处理方法可以采用：曲线拟合、误差分析、图表数据分析和数据挖掘，准确的解决问题。2大数据下的实验数据模型探索例：在探究牛顿第二定律

9、实验中，得到以下数据：物体质量不变时，加速度a与物体所受合力F的对应数据如表1；物体所受合力不变时，加速度a和物体质量的倒数1/M的对应数据如表2。表1 表2a1.02.04.06.08.1F（N）0.51.02.03.04.0a1.02.02.73.04.00.250.500.690.801.0（1）分别画出a -F图象和a-1/M图象。（2）由a -F图象得到的结论是 ；由a -1/M图象得到的结论是 。 看到实验，第一感觉就是联系得到的实验数据进行分析归纳的解题方法。由于牛顿第二定律学生已经较为熟悉，结论也很清晰，所有解题并没有太大的难度。物理知识很明确，结论也很明确，能否联系数学模型，

10、得到线性关系就成为该考题的一个重点。如果经常实验的学生，对于物理探究过程很清楚，他马上就会利用物理实验数据进行分析，画出图像，正比反比的图像很容易就会形成。这种严密的数学推导过程，实际上就是数学模型建立的过程。不妨我们从数学模型建立的过程出发，看看物理解题和数学模型建立的关系。2.1模型假设物体处于恒定的惯性参照系。2.2定义符号说明a加速度 F物体所受合力 M物体的质量2.3模型建立利用表1加速度和物体所受合外力，可以看出物体受力变化相同的量，加速度变化相同的量，它们之间是正比的数学关系。利用表2，数据间的比例关系不是一下就能得到，只能在误差允许的范围内画图分析。利用数学建模软件matala

11、b,建立程序：a=1.0 2.0 4.0 6.0 8.0；F=0.51.0 2.0 3.0 4.0；1/M=C=0.25 0.50 0.69 0.80 1.00；Plot(a,F)Plot(a,C) 图3 图42.4模型求解由图3可知物体的加速度与物体所受的合力成正比，而且正比曲线拟合的很好。由图4，曲线不能立即得出是正比关系，中间数据有一定的误差，由于误差值很小，可拟合成是正比关系，物体的加速度与物体的质量成反比。数学建模是为了解决数学问题建立数学模型的一个过程，它是解决实际问题一种数学方法，也是解决问题的第一步。常用的数学模型有：数据拟合、参数估计、插值等 HYPERLINK /searc

12、h?word=%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%A4%84%E7%90%86&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 数据处理算法， HYPERLINK /search?word=%E7%BA%BF%E6%80%A7%E8%A7%84%E5%88%92&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 线性规划、 HYPERLINK /search?word=%E6%95%B4%E6%95%B0%E8%A7%84%E5%88%92&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 整数规划、多元规划、二次规划等方法。中学

13、物理中常用的是数据拟合，线性规划的方法。物理建模所研究的对象极为宽泛、极为复杂，常见的物理模型有：质点、弹簧振子、单摆、点电荷、点光源、轻杆、轻弹簧、不可伸缩的绳、刚体等。物理建模和数学建模是两种不同的思想，但方法是相近的。都需要明确条件，提出假设，选定变量，建立模型。只是数学模型需要联系数学的基本知识，重视的是过程。物理建模需要利用具体模型联系物理规律解决问题，重视的是结果。它们之间是相互联系，相互影响的。3：大数据物理实验的软件探索。例：下表是某位学生测得的电路分析数据。请分析以下数据，能否得到欧姆定律？实验序号123R369I/A0.50.330.25实验序号123U/V11.52I/A

14、0.220.340.44图5 图63.1Excel分析：如图5将数据输入软件，得到锚点后添加拟合曲线，得到正比反比曲线。得到电阻一定时，电流与电压成正比；电压一定时，电流与电阻成反比。正比的拟合曲线较好，反比图像有一点距离拟合曲线较大，误差偏大。3.2几何画板分析：如图6通过几何画板描点后，正比例函数比较清晰，且该线通过原点。反比例函数与x、y轴有交点。但是使用几何画板分析后，不能表达出关系式。实验数据在图形上看不出有误差较大的点，找不出错误数据。对于要求不精确的实验数据，电阻一定时，电流与电压成正比；电压一定时，电流与电阻成反比，能很好的反映出来。3.3 Origin分析：图如图7该实验数据分析上，正比例函数有一定的差异，存在拐点，实验数据有一定的误差。反比关系拟合的较好，几乎是完整的直线。3.4 Spss分析：图8如图8引入数据后，输出图形，图形可以看出，正比曲线的拟合度较好，该直线不经过原点，说明该电源有一定的内阻。反比关系存在拐点，说明实验数据存在一定的误差。中学物理实验规律的得出往往是理想情况，忽略很多因素。功能弱一些的软件可能会符合中学的实际教学，如excel、几