高中物理試題中實驗誤差定量研究的價值思考

劉云德 張保雷

實驗試題通過方案的創(chuàng)造性設(shè)計、實驗結(jié)論的深化應(yīng)用、實驗誤差的多角度分析，實現(xiàn)考查學(xué)生創(chuàng)造性思維的目的，其中基于實驗誤差的深度分析與應(yīng)用最為常見．下面以兩道非理想電表問題為例，談?wù)劯呖嘉锢韺嶒炘囶}中實驗的誤差分析、解答策略和對此類問題研究的價值思考．

１ 誤差定量探究

１.１ 電壓表內(nèi)阻對測量結(jié)果的影響

例１ （２０２３年江蘇卷）小明通過實驗探究電壓表內(nèi)阻對測量結(jié)果的影響．所用器材有：干電池（電動勢約１.５V，內(nèi)阻不計）２節(jié);兩量程電壓表（量程０～３V，內(nèi)阻約３kΩ;量程０～１５V，內(nèi)阻約１５kΩ）１個;滑動變阻器（最大阻值５０Ω）１個;定值電阻（阻值５０Ω）２１個;開關(guān)１個及導(dǎo)線若干．實驗電路如圖１所示．

２ 解題策略

在短時間內(nèi)完成兩題誤差的定量計算，超出了一般中學(xué)生的能力，顯然定量計算不是命題者的意圖，試題旨在考查學(xué)生定性與半定量分析問題的能力，利用現(xiàn)有知識分析和解決超越現(xiàn)階段知識水平或復(fù)雜問題的關(guān)鍵能力，只有突破現(xiàn)階段的認(rèn)知或技術(shù)水平才能實現(xiàn)創(chuàng)新，如此考查學(xué)生創(chuàng)新能力是有效的．不通過定量計算，如何解答此類試題呢？

２.１ 賦特殊值極限推理

賦特殊值分析，由特殊推理到一般，如取某些值的倍數(shù)、平均數(shù)等，最有效的是極限取值合理推理．如例１分析電壓的實測值與理論值差值時，取被測電阻為０時，電壓的實測值與理論值差值為０;取被測電阻為R＝R１＋R２ 時，電壓的實測值與理論值差值為０，圖像的兩端點重合．被測電阻為其他值時，電壓表內(nèi)阻會使得電壓測量值偏小，由此可推知電壓表讀數(shù)很小時，電壓表分流小，對測量結(jié)果影響小，電壓表讀數(shù)較大時，電壓表分流大，對測量結(jié)果影響也?。?/p>

再如例２分析惠斯通電橋橋間電阻對電流和電壓影響時，在電路結(jié)構(gòu)和其他電阻值不變的情況下，C、D 間電壓隨毫伏表的內(nèi)阻變化是單調(diào)變化的，取C、D 間短路，C、D 間的電壓為零，知C、D 間的電壓隨毫伏表的電阻減小而減小，理想毫伏表電阻無窮大，非理想毫伏表電阻有限，若在步驟（４）中換用非理想毫伏表，C、D 間電阻減小，分壓減小，毫伏表的讀數(shù)偏小，壓力測量值偏小．

２.２ 靈活運用現(xiàn)有結(jié)論

學(xué)科思維素養(yǎng)高的同學(xué)能靈活利用現(xiàn)有結(jié)論，并合理擴(kuò)展結(jié)論的使用范圍，輕巧解答問題．如例２分析惠斯通電橋橋間電阻對電流和電壓影響時，靈活運用“串反并同”．理想毫伏表電阻無窮大，非理想毫伏表電阻有限，若在步驟（４）中換用非理想毫伏表，C、D 間電阻減小，分壓減小，毫伏表的讀數(shù)偏小，壓力測量值偏小，即F１＞F０．

３ 價值思考

在限時緊張的高考考場上，完成實驗誤差的定量計算困難，靈活定性分析也需要良好的思維品質(zhì)，準(zhǔn)確解答此類試題需要較高的科學(xué)思維和物理觀念素養(yǎng)水平．學(xué)有余力的學(xué)生在平時學(xué)習(xí)時，不應(yīng)滿足于得到模糊的結(jié)果，要不斷思考、計算或?qū)嵺`，直到問題清晰，結(jié)論可信．這樣不僅搞清了一個問題，學(xué)習(xí)者的推理能力、思維品質(zhì)、探索勇氣、物理直覺都會得到提高．

本文系２０２２年度云南省教育科學(xué)規(guī)劃項目“指向高階思維培養(yǎng)的高中物理大單元作業(yè)設(shè)計研究”（課題編號：BFJC２２０３９）、２０２２年度海南省教育科學(xué)規(guī)劃一般課題“基于項目式學(xué)習(xí)的高中物理自制教具研發(fā)與應(yīng)用研究”（課題編號：QJY２０２２１０３０）階段性研究成果．