關于物理的學術論文范文(2)
關于物理的學術論文范文
關于物理的學術論文范文篇二
物理量的測量及物理學的本質
一、引言
物理學是一門測量科學.[1]物理學家們首先創(chuàng)造出合適的物理量作為研究工具，然后通過對物理量的測量去找出規(guī)律或與事先假定的物理理論所預測的值去比較.這是物理學最核心的內容，也是物理學的本質.[2]
2015年浙江省高考理科綜合卷第22題(以下簡稱浙江卷第22題)的圖2給學生展示了四只電表所顯示的通過調節(jié)滑動變阻器所得到的兩組電流表與電壓表的示數(shù)(見圖1)，要求學生根據(jù)這四個示數(shù)來計算小燈泡在滑動變阻器調節(jié)前后的電阻值.這題貼近實際(表的示數(shù)是根據(jù)實際拍攝的)，考查學生在測量中所表現(xiàn)出來的操作能力(讀數(shù)和計算)，更為重要的是，它強調了測量在物理學中的重要性.可是，在所給出的權威性參考答案中，[3]筆者認為其在測量和誤差理論方面存在問題.如果以此答案為評分標準，勢必會導致閱卷中的差錯和不公平，更為重要的是，它會使人們對測量原理和物理學的本質產生誤解.
為此，本文將從信息、測量和誤差的基本理論著手，通過對浙江卷第22題的參考答案的分析，來闡述物理學作為一門測量科學的本質，從而引起物理課程標準的制訂者、物理教材編寫者和廣大物理教師對測量教學在物理教育中的重要性的關注.
二、測量是獲取信息的過程
根據(jù)信息學的原理，人們通過一定的方式向信息源獲取一定量的信息.信息源所含的符號越多，人們每得到一個符號所獲取的信息量就越多.因此，在信息學中，信息量的單位1比特是這樣定義的：一個具有兩種不同符號的信息源每發(fā)射一個符號所傳遞的信息量為1比特.比如，交通信號燈(紅-綠燈)是一個含有兩種不同符號的信息源.當我們接收到其中一個符號時，比如綠燈亮時，我們就獲得了1比特的信息量.同理，一個具有4種不同符號的信息源每發(fā)射一個符號所傳遞的信息量為2比特.以此類推，一個具有Z種不同符號的信息源每發(fā)射一個符號所傳遞的信息量H為：
當我們測量某個物理量時，我們就從測量工具那里得到了一定量的信息.比如，一臺廚房用的臺秤最多可稱2千克的質量，它的最小讀數(shù)是10克.因而，關于“物體的質量有多大”的問題，這臺臺秤可以做出200種不同的回答.那么，相應的符號數(shù)為200，與答案相應的信息量約為8比特.再比如，一般的溫度計的精確度為1℃.如果它的測量范圍是-30℃到90℃，則相應的符號數(shù)為120個.當我們測得一個溫度值時，我們就接收到了7比特的信息.測量儀器的精確度越高，測得一個值時所接收的信息量就越多.粗略地說，一個測量值所對應的信息量大約為10比特.[4]
現(xiàn)行中學物理課程標準和教材中沒有涉及信息學的知識，這就導致教師無法向學生講清測量的這一信息學本質.在普通高中物理課程標準[5]和現(xiàn)行普通高中物理教材[6]中，教師和學生只能籠統(tǒng)地知道物理學是一門實驗科學，他們不會關注到物理實驗的本質是測量，而測量是獲取信息的過程.有些師生甚至對物理學形成這樣的印象：物理定律是數(shù)學推導的結果，物理學家們所做的工作僅僅是像做習題一樣的一種數(shù)學演算.為此，我們強烈建議，在高中物理課程標準和教材中，應適當引入信息學的基本知識，從而使教師和學生加深對物理學本質的理解.
三、測量值總是一個區(qū)間
在解釋為什么需要測量時，我們通常抱有這樣的觀念：在測量前這個值是未知的，在測量后這個值是已知的.實際上，這是一個錯誤的觀念.首先，在測量前我們對物理量的值并不是一點也不知道.其次，在測量后我們并不知道物理量的真實值.測量值總是一個區(qū)間(圖2).在用儀器測量前，我們知道這個值是某一較大的區(qū)間.在用儀器測量后，我們仍只知道這個值是某一區(qū)間，但這個區(qū)間比用儀器測量前的要小了.如果用儀器測量后這個區(qū)間明顯地縮小了，我們說這是一個好的測量;如果這個區(qū)間只縮小了一點點，我們說這是一個不好的測量，或不精密的測量.
人本身也是一個測量工具，人通過感官來“估計”也是一種測量，也能獲得信息.物理學雖然是一門定量科學，但它并不是一門精確的科學.物理學家并不能確定某個物理量的真實值，而只能借用精密的測量儀器和根據(jù)他們的判斷能力來縮小物理量的測量值的區(qū)間，從而獲取更多的信息.
根據(jù)這一考慮，我們可以來定義一個表征對量X測量的好壞的數(shù)，這個數(shù)就是測量前后的兩個區(qū)間的比值，即.
由于H表示在測量中所獲得的信息量，所以它的單位為信息量的單位.這個量告訴我們，在測量中，物理量的值的信息量增加了多少比特(bit).比如，在測量一支鉛筆的長度時，假定在用儀器測量前我們用肉眼測出這支筆的長度不會小于10cm，也不會大于20cm.用尺子測量后我們知道這支筆的長度在10.5cm和10.6cm之間.我們來計算在用尺子測量這支鉛筆的長度中所獲得的信息量：
而在權威發(fā)布的參考答案中所給出的不是一個區(qū)間，而是四個值：0.10A、0.24A、0.27V和2.00V. 顯然，如果學生的答案落在上述區(qū)間內，我們應認為其答案是對的.尤其是對于第4只表的讀數(shù)(即U1的測量值)，參考答案給出了“0.27V”.如果學生讀出0.25V、0.26V或0.28V是否會被認為是錯的呢?
四、誤差傳播是有規(guī)律的
在現(xiàn)行教材中，普遍把測量值跟被測物理量的真實值之間的差異叫作誤差(error).[6]根據(jù)前面所述，真實值是不存在的，我們所能測得的總是一個區(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)誤差和個人誤差.在某次直接測量中，我們可以根據(jù)測量儀器的精確度知道此儀器所導致的儀器誤差.比如，在用上面所提到的四只表測量時，僅由這些表所產生的絕對誤差分別為δI1=δI2= 0.01A，δU1=δU2=0.05V.
這里所指的絕對誤差，其實就是某一測量值的不確定范圍的一半(uncertainty).它不同于對同一物理量的兩個測量值之間的差異(discrepancy)(圖3).因此，對某個量多次測量后，可以用其平均值來代表所有測量值.測量次數(shù)越多，這個平均值與任何一次測量值之間的差異會越小.然而，不管測量次數(shù)有多少，最后只能用一個值(平均值)來代表這個量的測量值.
根據(jù)相應的公式通過對直接測量值的計算得到某一物理量的值，這一過程叫作間接測量.直接測量值的誤差會在計算過程中進一步傳播，并產生新的誤差，這一過程叫作誤差傳播(error propagation).對于不同的計算公式，誤差傳播的規(guī)律是不同的.下面是幾個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，參考答案的作者沒有用誤差傳播公式來計算這兩個間接測量值，而隨意地在±號后面定了0.1這個數(shù).這將給考生帶來一定的不公正性.盡管在高中物理教學中我們并不要求給學生講誤差傳播知識，但作為參考答案中的間接測量值，還是要根據(jù)誤差傳播公式來計算的.
五、結束語
物 理學是一門測量科學.物理學家們通過對物理量的測量來獲取信息.對任何物理量的測量值都是一個區(qū)間.測量值的區(qū)間是我們不斷探索的空間.我們建議，在高中物理課程標準和教材中，應增加信息學的內容(建議將信息學的內容和振動與波的知識合在一起)，應強調測量在物理學中的重要性，適當增加測量的原理、誤差分析等知識.這是學生理解物理學本質所必需的知識.
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