高中物理實驗數(shù)據(jù)處理中誤差理論的應(yīng)用研究

黃軍榮

（福建省光澤縣第二中學(xué)）

摘 要：由于實驗環(huán)境的難以控制以及實踐操作的些許偏差，高中物理實驗數(shù)據(jù)往往繁雜多變且存在著一定的誤差，但卻不是所有的誤差都可歸結(jié)到實驗條件上。因此，如何正確處理實驗數(shù)據(jù)，合理使用誤差理論便成為所有高中物理教師的重要教學(xué)內(nèi)容。主要分析了誤差理論的應(yīng)用在高中物理實驗數(shù)據(jù)中的重要性，闡述了誤差理論的具體應(yīng)用，最后總結(jié)了誤差理論帶給物理實驗的作用，旨在加強(qiáng)誤差理論在物理實驗數(shù)據(jù)中的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生對物理的真正認(rèn)識和理解。

關(guān)鍵詞：高中物理實驗；數(shù)據(jù)處理；誤差理論

高中物理是一門理論與實驗相結(jié)合的學(xué)科。學(xué)生通過學(xué)習(xí)理論，在掌握基礎(chǔ)知識的同時，可培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S。學(xué)生通過聯(lián)系實驗，可將教材內(nèi)容轉(zhuǎn)化為實踐，從而加深對理論知識的認(rèn)識，達(dá)到學(xué)與做相結(jié)合的效果。但是在絕大部分的高中物理實驗當(dāng)中，由于實驗條件的限制與學(xué)生本身實驗操作不當(dāng)，所得出的實驗數(shù)據(jù)往往存在較大的誤差。在數(shù)據(jù)處理中，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)所得出的結(jié)論與所學(xué)的理論知識不符，從而產(chǎn)生極大的困惑，甚至對自己的科學(xué)探索信念產(chǎn)生影響。面對這種情況，教師務(wù)必適時將“誤差理論”應(yīng)用于高中物理實驗數(shù)據(jù)處理中，并讓學(xué)生掌握誤差理論，以正確認(rèn)識自己所得出的實驗數(shù)據(jù)，正確對待科學(xué)。

一、誤差理論應(yīng)用的重要性

首先，高中物理實驗中的實驗現(xiàn)象大多在生活中都有實際意義，是真實存在于現(xiàn)實生活中的，但是現(xiàn)實生活中的不穩(wěn)定因素過多，要獲得正確的實驗理論，仍然需要經(jīng)過一些嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灢拍軌蛲瓿沈炞C。同時為了確保實驗的正確性，通常會采用大量的數(shù)據(jù)來證明，數(shù)據(jù)的可靠性必須達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。然而在實驗過程中，由于一些不確定因素的影響，常常會使實驗的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，這種誤差是不可避免的，但是對實驗又有一定的影響。為了讓實驗的準(zhǔn)確性更高，必須在實驗原理沒問題的情況下，科學(xué)地使用誤差理論的原理來解決這個問題。在物理實驗中，誤差的存在有其必然性，也有其偶然性，如何解決偶然性，從而得到相對正確的理論，便需要實驗者正確分析誤差，因此對誤差的分析也是實驗的一個重要環(huán)節(jié)。

其次，誤差理論作為高中考試的必考題目和重點題目，在物理實驗數(shù)據(jù)處理中有著重要作用。誤差理論和實驗數(shù)據(jù)處理屬于考試高頻考點，但是實驗數(shù)據(jù)處理相對而言不容易被忽視，畢竟在課本中它是實實在在存在的理論知識，因此教師對這方面的關(guān)注也更多，在平時的授課中強(qiáng)調(diào)的程度也比誤差理論更大。而誤差理論往往容易被忽略，教師在講解相關(guān)理論知識和題目時，對誤差理論知識一筆帶過，學(xué)生掌握得也不夠透徹，處于一個似懂非懂的狀態(tài)。因此，當(dāng)實驗過程中出現(xiàn)誤差時，學(xué)生容易將誤差歸結(jié)到偶然性的誤差和系統(tǒng)的誤差上，沒有深入研究和探索實驗真正存在的問題，對學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗數(shù)據(jù)處理并沒有幫助，甚至?xí)嶒灥倪^程和結(jié)果產(chǎn)生一些消極的影響，直接影響到學(xué)生物理實驗的正確性。另外，高中物理學(xué)習(xí)階段，學(xué)生對誤差的理解停留在“誤差的存在是正常的，不需要對誤差進(jìn)行研究和計算”上，這種思維的結(jié)果是學(xué)生對誤差理論沒有進(jìn)行定量分析，從而將誤差理論和實驗數(shù)據(jù)理論分割開，實際上這二者是緊密聯(lián)系的。

最后，誤差理論實際上包含了許多物理實驗數(shù)據(jù)的處理方法，不僅僅是對誤差的分析，也有嚴(yán)密的法則方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。而在考慮和處理問題的方法中，誤差理論也常常被用到，尤其是處理高級數(shù)據(jù)時，可見誤差理論與物理實驗數(shù)據(jù)處理有著不可分割的關(guān)系，合理、科學(xué)地運用誤差理論，能夠在高中物理實驗數(shù)據(jù)處理中發(fā)揮重要的實質(zhì)作用。

二、高中物理實驗數(shù)據(jù)處理中誤差理論的具體應(yīng)用

1.力的平行四邊形定則驗證實驗

力的平行四邊形定則驗證實驗，在高中階段是一項重要的基本實驗，在實驗過程中，需要獲得的是：與兩個共點分力作用效果相同的實際合力的測量數(shù)據(jù)，是否和這兩個共點力共同作用構(gòu)建的理論合力符合，兩個共點力應(yīng)用的原理是否符合平行四邊形定則。這個實驗涉及實驗的測量數(shù)據(jù)和理論值之間的誤差，在合理的誤差范圍內(nèi)，兩者的合力相同，那么印證了平行四邊形的定則。這個實驗需要的材料有木板、橡皮、白紙等，原理是如果兩個作用力F1和F2的作用效果和一個力F的作用效果一樣，那么力F就是F1和F2的合力。學(xué)生在進(jìn)行實驗的過程中，由于誤差的存在，因此理論合力與實際合力很難完全相同，數(shù)值甚至可能相差甚遠(yuǎn)，部分學(xué)生會將其全部歸結(jié)于量度用具的不精確或者是實驗材料的不合適等。實際上，其中雖有這部分誤差的存在，但是其誤差影響并不大，出現(xiàn)大誤差的最主要原因依然是學(xué)生實驗操作的不當(dāng)。此時，教師需要及時引導(dǎo)學(xué)生，觀察實驗過程中的小細(xì)節(jié)，爭取將誤差降到最低，確保實驗的準(zhǔn)確性，完成實驗的驗證過程。

經(jīng)過研究分析，誤差的來源可能有以下三個方面：（1）運用平行四邊形的定則進(jìn)行作圖時，由于作圖不準(zhǔn)確產(chǎn)生的誤差；（2）彈簧測力計沒有調(diào)零；（3）在使用彈簧測力計時，彈簧外殼與紙張的摩擦以及彈簧與外殼的摩擦造成的誤差。教師在教學(xué)中需帶領(lǐng)學(xué)生詳細(xì)檢查前兩者由于操作不當(dāng)產(chǎn)生的誤差，在操作誤差消除后的誤差則是可被允許存在的誤差，學(xué)生通過自身操作，正確認(rèn)識到誤差的區(qū)別與正確理解誤差理論，在以后的物理實驗中均可獲益良多。

2.探究勻變速直線運動的實驗

實驗中，勻變速直線運動涉及測量加速度的方法，加速度是一個極為抽象的概念，如果教師簡單通過理論的教學(xué)，學(xué)生不能夠?qū)⒏拍罾斫獾煤芡笍?。因此，教師可以通過直觀的方式進(jìn)行實驗教學(xué)，如通過打點計時器和紙帶，將加速度轉(zhuǎn)化為較直觀和可以進(jìn)行測量的具體數(shù)值。在實驗過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生在加速度實驗設(shè)計中分析誤差，選擇合適的實驗參數(shù)，從而減少誤差。誤差理論的應(yīng)用在一定程度上能夠培養(yǎng)學(xué)生對待實驗嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)心的態(tài)度。教師在這個過程中，通過誤差理論教學(xué)，提高學(xué)生分析問題和誤差的能力。在勻變速直線運動實驗中，小車引導(dǎo)紙帶在軌道上做加速運動，穿過打點計時器會留下一連串的數(shù)據(jù)點。通過逐差法計算出小車運動的加速度如圖

T是打點計數(shù)器的周期。為了讓學(xué)生的數(shù)據(jù)處理更方便，這里一個周期為五個時間間隔，s1、s2、s3......是紙帶上相鄰點的距離，學(xué)生可以通過測量得出相鄰距離。實驗的誤差主要有兩個部分：（1）測量位移；（2）測量時間。學(xué)生通過降低紙帶測量的誤差，有效提高了小車加速度的準(zhǔn)確性。

以上案例中，學(xué)生通過對誤差來源的分析，盡力糾正人為誤差，使所得的數(shù)據(jù)越來越接近理論數(shù)據(jù)，雖然仍有所差別，但已經(jīng)是誤差理論中可接受的范圍。在此過程中，學(xué)生認(rèn)識了位移和時間對實驗結(jié)果的影響，同時由于可接受誤差的存在，清楚地知道了位移和時間測量工具的不足之處，進(jìn)一步明確了誤差理論的含義，從而潛移默化地培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撨壿嫼娃q證的科學(xué)思想觀，可謂一舉多得。

綜上所述，誤差理論應(yīng)該廣泛應(yīng)用于高中物理實驗數(shù)據(jù)處理中，讓實驗的結(jié)果和過程更加合理化、科學(xué)化，準(zhǔn)確性更高。教師通過帶領(lǐng)學(xué)生找出誤差來源，解決人為誤差，認(rèn)識不可逆誤差，可使學(xué)生徹底明白誤差理論知識的概念，從而增強(qiáng)學(xué)生分析物理實驗數(shù)據(jù)的能力，提高學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力，在以后的相關(guān)實驗中也能夠以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待物理。

參考文獻(xiàn)：

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編輯 高 瓊