電學實驗中如何有效地減少誤差

徐聲雄

【摘要】 本文針對學生在高三電學實驗復習中存在的問題，提出在復習中要滲透誤差思想，并從偶然和系統(tǒng)兩方面講述如何有效地減少誤差。

【關鍵詞】 電學實驗 偶然誤差 系統(tǒng)誤差 減少

【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2018）03-164-02

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電學實驗是高中物理的重要組成部分，也是每年各地高考的必考內容，同時其又是高三復習的一大難題。不少高三學生在電學實驗復習過程中，總感覺電學實驗題目考查知識點繁多，設問形式多樣，題型可謂千變萬化，有如在走迷宮。電學實驗題目每一步都需要做出判斷選擇，如電流表、電壓表、滑動變阻器等器材的選擇，內外接、分壓限流等接法的判斷，根本找不到一條統(tǒng)一主線。

在傳統(tǒng)的高三教學中，我們?yōu)榱私鉀Q以上問題，教師會指導學生面對不同問題采用不同的處理方法：如當>時采用電流表內接法；當滑動變阻器最大阻值遠小于待測電阻阻值時，一般采用分壓式接法。這些方法在學生學習的初期能夠取得一定的效果，但是，隨著高三復習的不斷深入，試題難度的不斷增加，單純依靠以上方法來解決問題將會越來越困難。其根本原因在于：學生不清楚其所用方法的來源，當遇到綜合能力要求較高的問題時，便束手無策。

筆者認為，部分電學實驗題目設計的來源，方法的應用，其實都是圍繞 “如何有效地減少誤差”這一主題展開。以下從兩個方面介紹復習中如何滲透誤差思想，以期讓學生更深刻理解其所用物理方法由來，提升其處理實驗問題的能力。

1. “多次測量”，“求平均值”減少偶然誤差

1.1電路設計中增加可變電阻進行“多次測量”，為“求平均值”創(chuàng)造條件

偶然誤差是由偶然因素造成的，可以通過多次測量求平均值來減少。只有在擁有多數據的前提下，用平均值法數據處理才的實現的可能。一般設計電路是通過可變電阻實現這種目的。

如圖1伏安法測電阻通常用分壓（甲）或限流（乙）控制電路，而不是直接測量（丙）。使用滑動變阻器，除了對電路起保護作用之外，還在于：要提供測量電路一個可變的電源，以實現多次測量。

電路設計要進行多次測量除了用到滑動變阻器之外，有時還用到電阻箱。如測電動勢內電阻的實驗方案有很多，以下是ABC三種方案均可測量，而學生分組實驗是用C方案，而非AB.其原因在于用AB求解電動勢內電阻與上述伏安法測電阻的丙圖一樣，數據太少，偶然誤差太大。要實現多次測量，需要用到可變電阻，以獲得不同的路端電壓，C中滑動變阻器可以達到此目的。當然，電阻箱也具有此功能，那么也可將C換成D.又因為電阻箱相比于滑動變阻器還能知道電阻的具體數值，故通常測量方法有C、E、F.

1.2數據處理中多種方法平均值

以上無論是使用滑動變阻器還是電阻箱，都是為了得出多組數據，為求平均值創(chuàng)造條件。那么，如何進行求平均值，通常有計算法和圖示法兩種

如用下表數據求電動勢及內電阻的大小的問題，數據處理有：

方法1 計算法求算術平均值

方法2：圖示法

用圖示法求解時，如果用兩點確定一根直線的方法：先畫出Cn2條直線，再求平均值，操作較繁瑣。一般做法是盡量使曲線通過或靠近大多數觀測點，并使觀測點比較均勻地分布在曲線的兩測。此種做法調節(jié)刻度尺方向的過程其實就在求平均值。

可見，無論是電路中滑動變阻的運用、電阻箱的介入，還是數據處理中算術平均值的求解、函數關系圖像的描繪，都離不開一個主題：多次測量求平均值減少偶然誤差。

2. 從分析誤差來源以減少系統(tǒng)誤差

產生系統(tǒng)誤差的原因有很多，下面從方法和原理兩方面講述如何減少誤差。

2.1分析誤差的來源，選擇合適的測量方法

在電學實驗題有很多問題都要求學生做出選擇，其中有一類（如伏安法測電阻電流表內外接選擇）隱含著這樣的要求“選擇目的是要選擇出系統(tǒng)誤差較小的測量方法，以讓測量盡可能準確”。學生如能分析出誤差的來源，便能選擇出合適測量方法，或對已有的實驗方案做出改進。如下例。

某同學用伏安法測一節(jié)干電池的電動勢E（約為15V）和內電阻r（約為1Ω），所給的其它器材有：

A.電壓表V：0～3V （內阻約為3kΩ））

B.電流表A：0～06A （內阻約為5Ω）

C.變阻器R1：（20Ω，1A）

D.變阻器R2：（1000Ω，01A）

E.電鍵S和導線若干

①圖3兩個原理圖______________測量更為合適。（I）

②變阻器應選用__________________________________________；（R1 ）

當選R2時，調節(jié)滑動變阻器的滑端，電壓表示數幾乎不變（示數基本等于E），因在變化范圍太小，在數據處理上會出現較大的誤差。原因在于內阻遠小于外電阻，解決問題可以減少外阻（選R1）。另外電路選擇上，II產生誤差原因在于：電流表分壓作用，導致路端電壓測量存在誤差，分壓值至少約為路端電壓的 =20%。I產生誤差原因在于：電壓表分流作用， 導致干路電流的測量存在誤差，分流值最多約為干路電流的=0.8%。解決此問題的方法在于選擇影響較小，即相對誤差較小的方法I. 可見，雖然提問方式不同，基本要求卻是相同的，都是在考查要選擇誤差較小的方法。要完成好此類問題需從根本分析誤差來源。一旦清楚來源，學生所掌握的不單是這道題的答案，而是此類題共同解法。如上述問題，已清楚原因在于內阻遠小于外電阻，解決問題除了可以從減少外阻（選R1），還可以增加內電阻，實驗方法可以變成圖4.

2.2分析誤差的來源，對實驗理論進行改進

系統(tǒng)誤差不同于偶然誤差， 它是人們可以意料到的， 在很多情況下， 開始測量前便可以給予消除或減小到可以忽略的程度。以上對于接法的選擇，實際只是減小其帶來的影響。要從根本解決問題，則需要在分析誤差來源的基礎上，對實驗理論進行改進。如下圖5，電流表內接法測電阻產生誤差原因是電流表分壓作用，而致使電壓表測量值比真實值偏大。那么如果能測量出電流表的準確阻值，則能消除上述的影響。此時求RX表達式可以寫成RX=-RA .對給出測量所用電表具體阻值問題的學習，不單可以對上述理論進行改進，而且還能通過遷移，為電壓表、電流表當電阻使用；電壓表，電流表改裝、放大量程；多用電表原理等后續(xù)課程的學習提供堅實的理論基礎。

實驗能力是高考物理要考查的五大能力之一，高考物理實驗題通常從目的、原理、過程、數據、誤差等多個方面來考查。無論是從哪個方面，其題目設計都有其共性，即遵循實驗的基本原則 ：安全、精確、可操作、少能耗。本文只是從有效減少誤差，即從精確性原則指出實驗復習的一次嘗試。當然，也可以選擇其它角度對實驗進行知識整理，方法歸納。但無論選擇何種角度，采用何種方法對實驗進行復習，目的都是在復習中提升學生科學素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的解決實際問題的能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1]賴圣寶如何選擇電學實驗器材 [J]湖南中學物理 ，2009（10） ：39-40 .

[2]王莉關于高中物理實驗誤差的探究[J]物理教學探討，2007（10）：58-60.