“問題情境”下電學(xué)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差分析

吳俊峰

(江蘇省宜興中學(xué) 江蘇 無錫 214299)

多年來電學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差分析一直是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)所關(guān)注的難點(diǎn)和高考實(shí)驗(yàn)命題的重要方向.在該方面，學(xué)生普遍實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)少，缺乏自主探究的基礎(chǔ)，教師往往急于傳授知識，僅增加訓(xùn)練來突破難點(diǎn)．但是筆者認(rèn)為學(xué)生能否進(jìn)行自主探究，關(guān)鍵在于教師有沒有給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一種探究的氛圍和一種探究的情境．

中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)誤差一般專指實(shí)驗(yàn)設(shè)計原理不完善而帶來的誤差，特點(diǎn)是同一實(shí)驗(yàn)無論重復(fù)多少次，系統(tǒng)誤差總是一直維持偏大或偏小．具體而言，因?yàn)殡妷罕怼㈦娏鞅砗碗娫创嬖趦?nèi)阻, 從而，對相關(guān)電壓和電流的測量帶來一定影響所致.

本文基于“問題情境”教學(xué)設(shè)計，結(jié)合“電流表的內(nèi)、外接法”課堂教學(xué)實(shí)踐，對系統(tǒng)誤差的分析課堂教學(xué)進(jìn)行了探討，供大家參考．

1 電流表內(nèi)接和外接問題的教學(xué)思考

教科書中電流表的內(nèi)、外接問題僅僅通過“問題與練習(xí)”中一道習(xí)題反映，目的是將其作為歐姆定律在具體情境下的應(yīng)用，沒有作為獨(dú)立的知識點(diǎn)，因此，教學(xué)的著眼點(diǎn)首先應(yīng)該放在串聯(lián)電流表分壓和并聯(lián)電壓表分流的實(shí)驗(yàn)探究上．但是作為高考實(shí)驗(yàn)考查的難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上還要再將結(jié)論進(jìn)行歸納，提升到系統(tǒng)誤差分析層面，特別是要注重內(nèi)、外接法的選擇方法的歸納．

2 電流表內(nèi)接和外接問題的教學(xué)實(shí)施

用伏安法測電阻時電流表與電壓表一般有兩種接入電路的方法，如圖1(a)、(b)所示．

圖1

第一步：結(jié)合課本習(xí)題，由學(xué)生猜想兩種電路接入恒壓電路時電表讀數(shù)的不同，進(jìn)而探討產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因．教師鼓勵學(xué)生通過串、并聯(lián)電路、歐姆定律得出部分結(jié)論，并歸納總結(jié)．

第二步：教師提出可否用上述電路測電阻的問題，引導(dǎo)學(xué)生用“歐姆定律”定量分析兩種電路造成測量偏差的直接原因，易得測量結(jié)果存在偏大或偏小.

(1)對(a)電路，得

(2)對(b)電路，得

第三步：教師此時應(yīng)該引入系統(tǒng)誤差概念，通過百分誤差的計算讓學(xué)生明確誤差的等級．

(1)若用(a)電路，其百分誤差為

(2)若用(b)電路，其百分誤差為

根據(jù)上述結(jié)論，教師提出由學(xué)生分組討論兩個電路誤差來源和影響因素，學(xué)生易得(a)電路誤差來自電壓表的分流影響，RV越大則百分誤差越小；(b)電路誤差來自電流表的分壓影響，RA越小則百分誤差越小．

第四步：學(xué)生理論準(zhǔn)備已經(jīng)從基本的串、并聯(lián)電路和歐姆定律上升到了具體實(shí)驗(yàn)問題，教師進(jìn)一步提出實(shí)驗(yàn)中有關(guān)決定系統(tǒng)誤差的因素，學(xué)生易得實(shí)驗(yàn)器材和方案兩個因素，一旦選定則誤差等級就確定．而后探討怎樣選擇電路.教師提出由學(xué)生分組舉例,存在哪些器材組合，并提出根據(jù)具體情況得出自己的結(jié)論．最后,由教師總結(jié)歸納，在具體使用時，一般是面對下列三種情況.

(2)若RV,RA,Rx的大約值不知道，宜用試探法選擇電路．方法是采用圖2所示電路.

圖2

第五步：在學(xué)生已經(jīng)明確電學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生根源的情況下，進(jìn)一步拓展學(xué)生探究能力，創(chuàng)設(shè)情境，分組討論能否改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，開展如何消除電表內(nèi)阻對測量影響的探究．在教師分析學(xué)生提出方案的基礎(chǔ)上，可以引入例題讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作．如某組利用如圖3所示的電路測定電阻Rx的值，其主要操作過程如下.

(1)閉合開關(guān)S1，將開關(guān)S2接2，調(diào)節(jié)滑動變阻器RP和rP，使電壓表讀數(shù)盡量接近滿量程，讀出這時電壓表和電流表的示數(shù)U1，I1；

(2)請你接著寫出第二步，并說明需要記錄的數(shù)據(jù)：______，由以上記錄的數(shù)據(jù)計算出被測電阻Rx的表達(dá)式為Rx=______．

圖3

解析：將開關(guān)S2接1，只調(diào)節(jié)滑動變阻器rP,使電壓表讀數(shù)盡量接近滿量程，讀出這時電壓表和電流表的示數(shù)U2和I2.

最后,教師提出比較本題方案與普通的伏安法測電阻有何不同，學(xué)生易得將RP與電流表看成一個整體，兩次測量中,可通過表達(dá)式來消除系統(tǒng)誤差．

3 電流表內(nèi)接和外接問題的教學(xué)反思

在創(chuàng)設(shè)“問題情境”教學(xué)設(shè)計后，通過實(shí)踐，學(xué)生一般能從課本基本規(guī)律的應(yīng)用能力提升到實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計、分析能力．不僅如此，通過設(shè)置問題和探究，學(xué)生從物理規(guī)律的接受者逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)律發(fā)現(xiàn)者和研究者，個別學(xué)生還設(shè)計出了“補(bǔ)償電路”消除系統(tǒng)誤差的方案，這大大滿足了他們強(qiáng)烈地探索欲望，聰明才智得以迸發(fā)，不再處于被動的接受．

因?yàn)殡娮铚y量方法存在多樣性，高考命題也是考查測量電路的選擇，注重實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計原理．筆者還發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在后期解決電學(xué)設(shè)計性實(shí)驗(yàn)時，盡管普遍已掌握了基本規(guī)律，但解決相似問題的知識遷移能力和創(chuàng)新能力依然薄弱，不能設(shè)計出盡可能提高測量精度的方案．通過反思，為解決這個教學(xué)難點(diǎn)，體現(xiàn)對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，筆者認(rèn)為還須進(jìn)一步利用課本中所提供的現(xiàn)成素材,設(shè)計探究性實(shí)驗(yàn)課．課本中靈活應(yīng)用串、并聯(lián)電路和歐姆定律，還討論了電表的改裝，通過本課結(jié)論，下節(jié)課還應(yīng)基于“問題情境”精心設(shè)計“半偏法測量電流表內(nèi)阻和電表改裝”實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差分析，進(jìn)一步擴(kuò)大學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用面．

中學(xué)物理教育的宗旨是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，注重學(xué)生自主探究，不僅要能認(rèn)識課本中所提供的素材，更重要的是能自己去認(rèn)識周圍事物，以便能解決更多問題.因此,物理教學(xué)的過程就是教師創(chuàng)設(shè)情境、提出問題，引導(dǎo)學(xué)生自主探究的過程．