中學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)中的誤差理解誤區(qū)

王南楠 陳浩

摘 要：誤差分析與數(shù)據(jù)處理是物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中這部分知識(shí)涉及不多，因此中學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)中的誤差理論存在一些理解誤區(qū)，針對(duì)中學(xué)生存在的誤區(qū)應(yīng)認(rèn)真分析。

關(guān)鍵詞：誤差；理解；誤區(qū)

物理實(shí)驗(yàn)是物理研究和學(xué)習(xí)的重要方法之一，誤差分析與數(shù)據(jù)處理是物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)比較重視誤差分析，而中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)由于相對(duì)比較簡(jiǎn)單，中學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的精確度不高等各種原因，對(duì)實(shí)驗(yàn)的誤差分析并不重視。

新的課程標(biāo)準(zhǔn)提出，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的目的是培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ煜ず驼莆栈緶y(cè)量及基本儀器的正確使用，學(xué)會(huì)科學(xué)探究的方法。參照近幾年全國(guó)的高中物理考試大綱，可了解中學(xué)物理對(duì)學(xué)生的考查主要集中在幾個(gè)方面：基本儀器的使用，實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法在試題中也逐年體現(xiàn)。因此，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中重視誤差分析，判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題等都有積極意義。

中學(xué)生對(duì)誤差理論理解的誤區(qū)有以下幾個(gè)方面：

一、不清楚系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的區(qū)別

在實(shí)驗(yàn)中，誤差是不可避免的，實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量誤差主要來(lái)自偶然誤差和系統(tǒng)誤差。對(duì)偶然誤差是有一套較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摵头椒ǖ模到y(tǒng)誤差卻沒(méi)有很固定的理論和方法，往往要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析處理，能否處理得好，在很大程度上取決于實(shí)驗(yàn)者的學(xué)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，初學(xué)者則不易掌握。系統(tǒng)誤差具有確定性，在相同條件下，多次測(cè)量同一物理量時(shí)，系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值和符號(hào)保持恒定；條件改變時(shí)，系統(tǒng)誤差也按確定的規(guī)律變化，影響系統(tǒng)誤差的條件一經(jīng)確定，誤差也隨之確定。偶然誤差具有隨機(jī)性，在相同條件下，多次測(cè)量同一物理量時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)定的方式變化，即某個(gè)誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，但就總體而言明顯遵從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，一般呈現(xiàn)正態(tài)分布。

二、對(duì)多次測(cè)量求平均值減小誤差的錯(cuò)誤理解

測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)必然會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)誤差，為了減小誤差往往采取多次測(cè)量求平均值的做法。但大多數(shù)作為初學(xué)者的中學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)卻不是對(duì)最終待求物理量求平均值，而是直接對(duì)測(cè)量物理量求平均值，這種錯(cuò)誤的出現(xiàn)也是因?yàn)閷?duì)誤差理論的不理解。

例如，在用紙帶測(cè)加速度的實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間間隔為T，測(cè)得物體在連續(xù)6個(gè)T內(nèi)所走的位移，記為s1至s6，加速度的計(jì)算公式為a=。中學(xué)生在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常忽略最終結(jié)果是對(duì)三組加速度值求平均值，而是將分母寫成3，這也是由于在教學(xué)中忽視誤差分析理論所致。

三、不了解某些實(shí)驗(yàn)中的誤差來(lái)源

多數(shù)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)都設(shè)置了一些限定條件，如用單擺法測(cè)重力加速度時(shí)，擺角不能超過(guò)5°，擺線力求柔軟細(xì)長(zhǎng)，在空氣中做此實(shí)驗(yàn)時(shí)，擺球的密度要盡量選擇大些的；如在測(cè)摩擦力和機(jī)械效率等實(shí)驗(yàn)中，要?jiǎng)蛩倮瓘椈沙樱蝗缱銎綊佄矬w運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，平拋物的速度應(yīng)當(dāng)大些，下落的時(shí)間要長(zhǎng)些。中學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中能準(zhǔn)確地熟記這些條件，但卻因并不清楚這些條件的設(shè)定是為了減少誤差，而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中忽視這些實(shí)驗(yàn)條件導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。學(xué)生若對(duì)誤差理論有一定的理解基礎(chǔ)，就能夠?qū)⒅\(yùn)用于實(shí)驗(yàn)中，得到更好的實(shí)驗(yàn)效果。

中學(xué)生在誤差理論知識(shí)上存在的弱點(diǎn)，會(huì)影響其對(duì)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，因此教師要幫助學(xué)生掌握這部分知識(shí)，要把誤差分析貫徹到整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，并在各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中具體貫徹，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生在這方面能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)。

在實(shí)驗(yàn)課的具體教學(xué)過(guò)程中，教師可從實(shí)驗(yàn)的主要思想方法處指導(dǎo)學(xué)生理解誤差理論，如利用累積法減小測(cè)量誤差，利用控制變量法避免一些誤差，還可利用留跡法把瞬息即逝的現(xiàn)象記錄下來(lái)，以便在實(shí)驗(yàn)后能準(zhǔn)確測(cè)量、比較從而減小誤差等。同時(shí)重視實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，使學(xué)生在學(xué)習(xí)利用算平均值、列表、作圖等方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過(guò)程中深入理解誤差分析理論。

物理實(shí)驗(yàn)中關(guān)于誤差分析和數(shù)據(jù)處理是物理教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有不同的內(nèi)容和特點(diǎn)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)領(lǐng)會(huì)誤差分析的思想，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中各種誤差的分析、判斷和控制能力，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

李曉芬.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的誤差問(wèn)題淺析.教學(xué)與管理，2010（7）.

（作者單位 華南師范大學(xué)）