高中物理電學實驗教學中等效法分析系統(tǒng)誤差

摘 要：電學實驗一直是高中物理學習的重點和難點，而其中的系統(tǒng)誤差分析又是學生比較難攻克的難點之一。本文針對高中物理電學實驗教學中系統(tǒng)誤差分析的方法進行了歸納整理，找出等效法來克服這一難點的正確學習方法，為更好地解決類似的物理問題提出建議。

關鍵詞：高中物理；電學實驗；系統(tǒng)誤差；等效法

一、 引言

眾所周知，物理作為一門研究性的學科，一直以來都要依靠大小不同的實驗來論證，只有通過實驗論證的結(jié)論才能成為正確的理論。而電學實驗是物理實驗中十分重要的實驗之一，也是物理課程中十分重要的一個章節(jié)，同時，由于電學普遍存在日常生活中，學好電學實驗不僅能明白其中包含的物理學知識，還能在現(xiàn)實生活中得以運用。但是電學實驗總是會存在誤差分析，只有真正把握好誤差分析的方法，才能將誤差控制在合理范圍內(nèi)。

二、 誤差的來源

高中物理電學實驗中所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差一般是由于實驗設計上原理存在缺陷而導致的。比如電壓表或者電流表存在內(nèi)阻，所以，在測量電壓或者電流時會產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。誤差存在有一定的必然性和偶然性，我們無法保證每一次電學實驗都能夠得到準確的、科學的數(shù)據(jù)。但是我們可以針對實驗產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差來進行合理調(diào)節(jié)，爭取把誤差降到最低。

像電學實驗中經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，一般比較固定，并不會隨著實驗次數(shù)的增加而發(fā)生變動。比如在做電學實驗時，受到電壓表和電流表內(nèi)阻的影響，以及其他實驗儀器的影響而導致結(jié)果存在誤差。即便我們再多次進行同樣的實驗，電壓表與電流表以及其他實驗儀器并沒有進行變動，所以我們的實驗結(jié)果一般差別不大。所以正是由于系統(tǒng)誤差這樣的特點，我們在進行減小誤差的時候，不能采用取平均值或者多次測量的方法。這些方法起不到任何作用，我們只能通過不斷改善實驗原理、實驗儀器以及測量精確度的方法來減小系統(tǒng)誤差。而偶然誤差恰恰與系統(tǒng)誤差相反，它是由于實驗者或者實驗儀器的偶然性不同造成的結(jié)果不同。

三、 系統(tǒng)誤差常規(guī)分析方法

（一） 函數(shù)解析法

一般在進行系統(tǒng)誤差分析時，可以采用歐姆定律先算出待測量的數(shù)值。然后我們可以分情況討論，第一種是考慮電表內(nèi)阻的情況，第二種是不考慮電表內(nèi)阻的情況。通過比較電表內(nèi)阻存在與不存在兩種情況的區(qū)別來分析系統(tǒng)誤差。一般來說，考慮電表內(nèi)阻的這種情況我們可以得到比較真實的數(shù)值，不考慮電表內(nèi)阻的情況一般得出的是需要再次進行考察的數(shù)值。

（二） 圖像描點法

一般情況下，一個物理電學實驗中會出現(xiàn)很多數(shù)據(jù)。通過將這些數(shù)據(jù)進行分類，可以得到不同類型的幾組數(shù)據(jù)。實驗中可以采用圖像描點法來將這些數(shù)據(jù)進行整理分析，其實就是利用作圖的方法來處理實驗數(shù)據(jù)。還是需要考慮表內(nèi)阻存不存在的兩種情況，設置一個相應的坐標，將考慮電表內(nèi)阻和不考慮電表內(nèi)阻兩種情況下的橫、縱坐標大小關系進行比較。通過對坐標點的平移，找出測量圖和真實圖。也就是將考慮電表內(nèi)阻情況下的數(shù)據(jù)圖和不考慮電表內(nèi)阻情況下的數(shù)據(jù)圖進行比較。

四、 利用等效法分析系統(tǒng)誤差

（一） 等效法

等效法在高中物理中出現(xiàn)的次數(shù)很多，很多實驗都需要利用等效法來加以解決，比如，等效重力加速度的周期、計算復合場中的最高點的速度等，等效法最大的優(yōu)勢在于將一些需要復雜計算的問題簡單化。在高考物理中，電學實驗的系統(tǒng)誤差分析題的分值很高。所以學生需要在日常的學習中學會如何解答誤差分析題。系統(tǒng)誤差分析也變成了學生最害怕做的一道題，因為在計算系統(tǒng)誤差時會出現(xiàn)比較大的數(shù)值，而等效法則能夠?qū)⑦@些較大的數(shù)值簡化成比較簡單的數(shù)。等效法的實質(zhì)就是分析實際測量值等效結(jié)果與真實值之間的偏差。

（二） 示例

眾所周知，電學實驗中系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)來源于電流表和電壓表的內(nèi)阻，若不考慮電表的內(nèi)阻，則這兩種電路是完全一樣的。根據(jù)閉合電路歐姆定律E=U+Ir，兩次測量的方程為：

若考慮電流表和電壓表的內(nèi)阻，對圖甲所示電路應用閉合電路歐姆定律有：

如果我們用等效電源方法來討論，就可以十分簡單。

對于甲電路圖等效電源，電動勢E測=RVERV+r，內(nèi)阻r測=RVrRV+r。

對于乙電路圖等效電源，電動勢E測=E，內(nèi)阻r測=r+RA。

容易看出這里新電源的電動勢E測和內(nèi)阻r測，即為前面不考慮電表影響時利用圖甲、乙電路得到的測量值E測和內(nèi)阻r測。

五、 結(jié)論

在高中物理電學實驗中，系統(tǒng)誤差的一般是由于實驗原理以及儀器造成的。而等效法的出現(xiàn)可以幫助學生在實驗中更好地處理好實驗中的誤差，相比較其他幾種方法，在系統(tǒng)誤差分析時會更加方便。

參考文獻：

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作者簡介：林曉钖，福建省龍巖市，福建省龍巖高級中學。