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
物理量的測量及物理學(xué)的本質(zhì)
一、引言
物理學(xué)是一門測量科學(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(yù)測的值去比較.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調(diào)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(xué)生根據(jù)這四個示數(shù)來計算小燈泡在滑動變阻器調(diào)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(xué)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(diào)了測量在物理學(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)為其在測量和誤差理論方面存在問題.如果以此答案為評分標(biāo)準(zhǔn)，勢必會導(dǎo)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(xué)的本質(zhì)產(chǎn)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(xué)作為一門測量科學(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測量教學(xué)在物理教育中的重要性的關(guān)注.
二、測量是獲取信息的過程
根據(jù)信息學(xué)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(xué)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(dāng)我們接收到其中一個符號時，比如綠燈亮?xí)r，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(dāng)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(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”的問題，這臺臺秤可以做出200種不同的回答.那么，相應(yīng)的符號數(shù)為200，與答案相應(yīng)的信息量約為8比特.再比如，一般的溫度計的精確度為1℃.如果它的測量范圍是-30℃到90℃，則相應(yīng)的符號數(shù)為120個.當(dāng)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(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)和教材中沒有涉及信息學(xué)的知識，這就導(dǎo)致教師無法向?qū)W生講清測量的這一信息學(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)是一門實驗科學(xué)，他們不會關(guān)注到物理實驗的本質(zhì)是測量，而測量是獲取信息的過程.有些師生甚至對物理學(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，從而使教師和學(xué)生加深對物理學(xué)本質(zhì)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?nèi)灾恢肋@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(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(quán)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(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(xué)生讀出0.25V、0.26V或0.28V是否會被認(rèn)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(dǎo)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(chǎn)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(yīng)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(jìn)一步傳播，并產(chǎn)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(xué)中我們并不要求給學(xué)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(jié)束語
物 理學(xué)是一門測量科學(xué).物理學(xué)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(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)容和振動與波的知識合在一起)，應(yīng)強調(diào)測量在物理學(xué)中的重要性，適當(dāng)增加測量的原理、誤差分析等知識.這是學(xué)生理解物理學(xué)本質(zhì)所必需的知識.
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