物理實驗誤差及其分析處理

摘 要: 物理實驗離不開對物理量進行測量。由于測量儀器、實驗條件、測量方法與人為因素的局限，測量是不可能無限精確的，測量結果與客觀存在的真值之間總有一定的差異，也就是說總是存在著測量誤差。本文分析了實驗誤差產生原因，以及如何分析實驗誤差，從而來減小實驗誤差。

關鍵詞: 物理實驗 實驗誤差 分析 處理

物理實驗離不開對物理量進行測量。由于測量儀器、實驗條件、測量方法與人為因素的局限，測量是不可能無限精確的，測量結果與客觀存在的真值之間總有一定的差異，也就是說總是存在著測量誤差。測量的誤差大小反映了我們的認識與客觀真實的接近程度。雖然實驗中的誤差是不可避免的，但誤差是應該且可以盡量減小的。對實驗結果的誤差產生的原因進行分析，有助于對學生進行嚴密的科學思維和能力的訓練，提高他們的實驗素養。

一、實驗誤差的產生

誤差是客觀存在的，但誤差有大與小之別，我們只有知道誤差的產生、變大或減小的原因，才能在實驗中盡可能地減小誤差。從誤差產生的來源看，誤差可分系統誤差和偶然誤差。

例1.彈簧測力計測量時的誤差分析

1.偶然誤差

彈簧測力計測量讀數時，經常出現有時讀數偏大，有時讀數又可能偏小，每次的讀數一般不等，這就是測量中存在的偶然誤差。

2.系統誤差

首先，從測力計的設計上看，在制作刻度時，都是按向上拉設計的，此時彈簧受自重而伸長。因此向上拉使用時，彈簧的自重對測量沒有影響，此時誤差最小。當我們水平使用時，彈簧的自身重力豎直向下，而彈簧水平放置，此時彈簧自重不會使彈簧長度發生變化。與豎直向上使用對比，彈簧長度略短，指針沒有指在零刻度線上。這時，使用誤差增大，測量值略小于真實值(但由于變化不大可以忽略不計)。當我們豎直向下用力使用時，彈簧由于自身重力影響而變短，與豎直向上使用相比指針偏離零刻度底線較遠，這時使用誤差較大，測量值比真實值小得多。我們在使用時必須進行零點矯正。

二、實驗誤差的減小

在對誤差進行分析研究確定其產生來源和所屬類型后，可采用適當的方法對系統誤差加以限制或減小，使測得值中的誤差得到抵消，從而消弱或減小誤差對結果的影響。

1.偶然誤差的控制

(1)測量中讀數誤差的控制

測量儀器的讀數規則是:測量誤差出現在哪一位，讀數就應讀到哪一位，一般可根據測量儀器的最小分度來確定讀數誤差出現的位置。

(2)數據處理過程中測量誤差的控制

數據處理問題的各個方面都是與測量誤差問題密切相關的，總的原則是:數據處理不能引進“誤差”的精確度，但也不能因為處理不當而引進“誤差”來，要充分利用和合理取舍所得數據，得出最好的結果來，數據處理過程中應注意以下幾點。

①在運算中要適當保留有效數字。

②多次測量后的數據要參照一定的判斷決定是否全部數據都保留。

③用作圖法處理數據時，要注意圖紙大小的選擇，等等。

2.系統誤差的控制

(1)通過更科學的實驗設計來減小系統誤差。

不科學的或者不恰當的實驗設計會導致較大的難以忽略的系統誤差。反之，一個科學的實驗設計則能有效減少系統誤差。

(2)實驗操作進程中減小測量誤差。

①儀器的調整和調節。儀器要調整達到規定的設計技術指標，如光具座、天平和電表的靈敏度等。計測儀表要定期校準到它的偏離對實驗結果所造成的影響可以忽略不計。

②實驗條件的保證。必須保證實驗的理論設計和儀器裝置所要求的實驗條件。

③儀表的選用。如選用大量程的檔去測量小量值，儀表的偏轉只占整個量程中的一小部分，這就會導致相對誤差變大或者是使用這種等級的儀表是浪費的。

④測量安排。要從測量誤差的角度來考慮。有的關鍵量要進行多次測量，還要想方設法從各個角度去把它測準;可以多測一些容易測準的量，消去一個或幾個不易測準的量。有時，在測量步驟的安排上作適當的考慮也可以減小誤差，如有的量在實驗過程中是隨機起伏的，有的量則是定向漂移的，都可以在測量中作出一定的安排來減小誤差。

(3)通過測量后的理論計算提供修正值來減小實驗系統誤差。

有些實驗在現有實驗條件下已很難有大的改進，那么這類實驗就可以通過理論計算提供修正值從而達到減少系統誤差的目的。

例2.伏安法測電阻系統誤差的減小

伏安法測電阻中因電流表分壓和電壓表分流產生的系統誤差可以通過電路的設計來減小。

誤差是物理實驗中不可或缺的重要內容，不少重要的發現均是通過對誤差來源和大小仔細分析后得來的。限于初中生的能力，我們不應要求他們掌握更難的誤差處理，但讓學生對實驗誤差及其分析有初步的了解，不僅可以使學生對實驗有更深刻的認識，而且可以促進學生的學習思考，以對實驗誤差進行有效的控制，培養基本實驗素養。

參考文獻:

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