談?wù)劯咧形锢韺?shí)驗(yàn)的誤差

鄒學(xué)洪

摘 要： 高中物理實(shí)驗(yàn)，不僅要知道實(shí)驗(yàn)中的原理，更要清楚實(shí)驗(yàn)中造成實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵和影響實(shí)驗(yàn)的因素有哪些，只有達(dá)到這樣的效果，高中物理實(shí)驗(yàn)才能體現(xiàn)基礎(chǔ)性和創(chuàng)新性，才能更好地服務(wù)于高中教學(xué)，才能更好地提高學(xué)生思維能力。

關(guān)鍵詞： 系統(tǒng)誤差 偶然誤差 實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)原理

高中物理實(shí)驗(yàn)，不僅要求能完成課本中已有的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，更要能夠根據(jù)已有基礎(chǔ)理論設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新的實(shí)驗(yàn)方法，以達(dá)到預(yù)期的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)效果，因此高中物理實(shí)驗(yàn)，不僅要知道實(shí)驗(yàn)中的原理，更要清楚實(shí)驗(yàn)中影響實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵和影響實(shí)驗(yàn)的因素有哪些，只有達(dá)到這樣的效果，高中物理實(shí)驗(yàn)才能體現(xiàn)基礎(chǔ)性和創(chuàng)新性，才能更好地服務(wù)于高中教學(xué)，才能更好地提高學(xué)生思維能力。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有預(yù)期的目的，要達(dá)到這些目的，無論是定性的演示實(shí)驗(yàn)還是定量的測量實(shí)驗(yàn)，都無法避免其中誤差，這成為實(shí)驗(yàn)中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩種。系統(tǒng)誤差是由于實(shí)驗(yàn)原理不夠完善、實(shí)驗(yàn)儀器不夠精確或?qū)嶒?yàn)方法粗略而產(chǎn)生的誤差，其特點(diǎn)是多次做同一實(shí)驗(yàn)時(shí)，誤差總是同樣偏大或偏小，不會出現(xiàn)這幾次偏大，另幾次偏小的現(xiàn)象。系統(tǒng)誤差不能用多次測量求平均值的方法消除或減小，只能通過改善實(shí)驗(yàn)原理；提高實(shí)驗(yàn)儀器的測量精確度；設(shè)計(jì)更精巧的實(shí)驗(yàn)方法以達(dá)到減小系統(tǒng)誤差。而偶然誤差是由于各種偶然因素對實(shí)驗(yàn)者和實(shí)驗(yàn)儀器或被測物理量的影響而產(chǎn)生。其特點(diǎn)是多次重復(fù)做同一實(shí)驗(yàn)時(shí)，誤差時(shí)大時(shí)小，且偏大偏小的機(jī)會相同。減小這種誤差的辦法是進(jìn)行多次測量，取其平均值。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們不僅要考慮系統(tǒng)誤差和偶然誤差，而且要同時(shí)考慮絕對誤差和相對誤差。絕對誤差是測量值與真實(shí)值之差，即絕對誤差=|測量值-真實(shí)值|。它反映了測量值偏離真實(shí)值的大小。而相對誤差反映了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確程度，相對誤差等于絕對誤差與真實(shí)值之比，常用百分?jǐn)?shù)表示，即相對誤差=×100%。對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的評價(jià)，必須考慮相對誤差，絕對誤差大者，其相對誤差不一定大。

從實(shí)驗(yàn)效果上看，不一定誤差越小效果越好，有些誤差大的演示實(shí)驗(yàn)同樣可以取得很好的效果。在平拋運(yùn)動的定義時(shí)就沒有必要非得是嚴(yán)格的平拋運(yùn)動，可以將一物體水平扔出以視為平拋運(yùn)動，這樣的演示實(shí)驗(yàn)更能讓學(xué)生接受，同時(shí)能讓學(xué)生體會到物理規(guī)律就在身邊，有更強(qiáng)的親切感，效果也會更好。其實(shí)還有很多演示實(shí)驗(yàn)，尤其是在物理量的定義及在部分定性規(guī)律研究時(shí)，這些誤差較大的演示實(shí)驗(yàn)收到的效果往往不低于非常精確的實(shí)驗(yàn)。

從實(shí)驗(yàn)要達(dá)到的精度和實(shí)驗(yàn)要達(dá)到的目的看，誤差往往與實(shí)驗(yàn)者所要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠嘘P(guān)，對于不同的目的，即使是同一個(gè)實(shí)驗(yàn)也是有區(qū)別的。比如在測量金屬絲的電阻率時(shí)，需要測定金屬絲的長度和直徑，對于長度的測量和直徑的測量中，在要求精度不是特別高時(shí)候，長度可以用刻度尺測量，直徑可以用游標(biāo)卡尺來測量；如果要求精度高一些，長度就需要用游標(biāo)卡尺來測量，而直徑則需要用螺旋測微器測量，而這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)定，實(shí)驗(yàn)者要從實(shí)驗(yàn)中達(dá)到的目的往往不一定就是實(shí)驗(yàn)本身，很有可能還有一些更重要的目的，就說上面的實(shí)驗(yàn)，如果為了測量金屬絲的電阻率，兩種測量都可以，只是精度不一樣，但如果實(shí)驗(yàn)設(shè)定的目的還有練習(xí)使用游標(biāo)卡尺、螺旋測微器，則不論上述的哪種測量數(shù)據(jù)都不會影響實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

從實(shí)驗(yàn)測量儀器來看，在實(shí)驗(yàn)原理基礎(chǔ)上選擇合適的儀器，這也是有誤差的，對于不同的測量儀器其自身的儀器精度對實(shí)驗(yàn)測量有一定影響，但只要不影響測量的最終結(jié)果，儀器中所帶來的系統(tǒng)誤差我們都是可以接受的。比如在長度測量的時(shí)候，我們可以用刻度尺，也可以用游標(biāo)卡尺，甚至是螺旋測微器。在測量操場寬度時(shí)我們需要米尺；在測量課本長寬時(shí)，我們又可以使用毫米刻度尺；在測量筆帽內(nèi)徑時(shí)，可以用游標(biāo)卡尺；在測量金屬絲的直徑時(shí)，我們則需要使用螺旋測微器。無論是測量哪一種長度，儀器的選擇決定了實(shí)驗(yàn)的精度，同時(shí)很大程度上決定了實(shí)驗(yàn)誤差?？梢钥闯?，對不同的實(shí)驗(yàn)器材測量出的數(shù)據(jù)，已經(jīng)不可避免地有一定的誤差，這是實(shí)驗(yàn)儀器自身造成的系統(tǒng)誤差，只要有實(shí)驗(yàn)器材測量就一定有實(shí)驗(yàn)儀器的誤差，只有當(dāng)測量的數(shù)據(jù)不影響到實(shí)驗(yàn)?zāi)康臅r(shí)，這種測量才是有效的，也因?yàn)檫@個(gè)原因，在我們的實(shí)驗(yàn)中并不是所有實(shí)驗(yàn)都要用精度最高的實(shí)驗(yàn)器材，而是最容易操作、最容易找到的實(shí)驗(yàn)器材。

從實(shí)驗(yàn)原理來看，有很多實(shí)驗(yàn)原理就是有誤差的。在伏安法測電阻的實(shí)驗(yàn)中，有電流表內(nèi)接法和外接法的區(qū)別。利用內(nèi)接法無論怎么測量，測量的結(jié)果都會比真實(shí)值要大，利用外接法測量則測量值比真實(shí)值小。這是由于內(nèi)接法中電流表的電阻影響了測量結(jié)果，也可以認(rèn)為是電流表的分壓造成了測量的誤差，而對于外接法測量電阻的實(shí)驗(yàn)，則是由于電壓表的分流造成了測量的誤差。這些誤差在選擇的實(shí)驗(yàn)原理中本身就有，不可能消除，如果要提高測量的精度，則需要換用更精密的實(shí)驗(yàn)儀器，或者更換實(shí)驗(yàn)原理。對于這樣造成的誤差在我們選擇實(shí)驗(yàn)原理的時(shí)候是需要考慮的，只要原理能夠符合我們的邏輯思維，同時(shí)誤差在可控范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)還是非常理想的。

從實(shí)驗(yàn)者角度看，即使是同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，不同的實(shí)驗(yàn)操作者測量的結(jié)果也不是完全相同的。對于我們在實(shí)驗(yàn)操作過程中對數(shù)據(jù)的采取和使用，不同的實(shí)驗(yàn)者往往有所不同，造成了同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果略微有所不同，但我們往往會得到相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，只要實(shí)驗(yàn)最后的結(jié)論在誤差范圍內(nèi)，我們都可以認(rèn)為是正確的。

可以看出，在物理實(shí)驗(yàn)中的各種因素都會造成不同程度的誤差，而實(shí)驗(yàn)在幫助我們實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的過程中，有效合理地處理實(shí)驗(yàn)中的誤差無疑更有利于我們認(rèn)識實(shí)驗(yàn)原理，更有助于我們對實(shí)驗(yàn)有更深層次的認(rèn)識，也只有處理好實(shí)驗(yàn)中的誤差，才能更有效地做好實(shí)驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期目的。