誤差分析對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幫助和提升

摘 要：在物理教育中，大學(xué)物理教學(xué)普遍對(duì)于誤差的重視度較高，而中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)因?yàn)橄鄬?duì)比較簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)的精確度要求較低，所以一般不重視誤差。其實(shí)，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教育中，誤差的分析能夠有效地提高學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)本身的掌握，強(qiáng)化嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)精神，形成從多角度判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的意識(shí)與能力。對(duì)此，本文以多個(gè)物理實(shí)驗(yàn)為例，探討誤差分析對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幫助和提升。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理；誤差；教學(xué)幫助；提升

一、 引言

從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)說(shuō)，誤差的來(lái)源分為系統(tǒng)誤差與偶然誤差，這一種誤差只能夠盡可能控制到最低，但是無(wú)法消除。對(duì)此，誤差本身是絕對(duì)存在的，對(duì)于誤差的分析同樣應(yīng)當(dāng)是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必然可以開(kāi)展的內(nèi)容，許多的重要發(fā)現(xiàn)都需要借助對(duì)誤差的形成因素、誤差大小等進(jìn)行分析從而總結(jié)得出。對(duì)此，探討誤差分析對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幫助和提升具備顯著教育意義。

二、 借助誤差分析，提高實(shí)驗(yàn)方案的理解

下面以平拋運(yùn)動(dòng)作為研究案例。在借助實(shí)驗(yàn)的方式探討平拋運(yùn)動(dòng)的垂直方向運(yùn)動(dòng)是否為自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，許多的學(xué)生都會(huì)提出關(guān)于“對(duì)比”的實(shí)驗(yàn)研究方式，也就是讓兩個(gè)相同質(zhì)量的小球從同一個(gè)高度，分別做自由落體運(yùn)動(dòng)與平拋運(yùn)動(dòng)，并從看或聽(tīng)的方式對(duì)比兩個(gè)小球哪一個(gè)先落地。但是，在開(kāi)展這一個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，有一些教師會(huì)使用平拋豎落儀有許多的演示實(shí)驗(yàn)中雖然學(xué)生認(rèn)為聽(tīng)起來(lái)兩個(gè)小球是同時(shí)落地，但是也會(huì)有學(xué)生認(rèn)為好像不是同時(shí)落地，甚至有些學(xué)生聽(tīng)出落地時(shí)間存在明顯差異。在課堂當(dāng)中曾做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)“讓兩個(gè)小球以1.5m的高度分別釋放，但是釋放時(shí)兩個(gè)小球的高度差約為5cm，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果仍然有學(xué)生認(rèn)為是同時(shí)落地”。通過(guò)這一種簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，便可以發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律雖然可以計(jì)算，但是兩個(gè)小球仍然可能存在落地誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的誤差較為明顯。對(duì)此，便可以讓學(xué)生進(jìn)行分析，探討實(shí)驗(yàn)是否存在錯(cuò)誤，如果不存在錯(cuò)誤那么應(yīng)當(dāng)如何改進(jìn)。通過(guò)討論后，學(xué)生一致認(rèn)同實(shí)驗(yàn)方式無(wú)錯(cuò)誤，其主要問(wèn)題在于通過(guò)聽(tīng)的方式無(wú)法做出準(zhǔn)確的判斷，仍然認(rèn)同對(duì)比實(shí)驗(yàn)方式。對(duì)此，便需要對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改變，在教師的引導(dǎo)之下，最終決定采用攝像機(jī)或頻閃相機(jī)的方式進(jìn)行觀察，在科學(xué)手段之下最好的還原實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)生從畫面的定格中明確實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅提高實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)還可以間接提高學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的掌握、改進(jìn)能力。

三、 通過(guò)誤差分析，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)態(tài)度

下面以力的合成作為研究案例。在分析不在同一條直線上的兩個(gè)力的合成規(guī)律的時(shí)候，一般是以嘗試以虛線的方式將合力的箭頭端分別和兩個(gè)分力的箭頭端連接起來(lái)，并從中進(jìn)行探索和分析。在通過(guò)繪畫之后，會(huì)得出一個(gè)較像平行四邊形的圖形，這也間接提示學(xué)生采用平行四邊形的方式可以用于合力的求證。

在教學(xué)過(guò)程中，因?yàn)橐话銦o(wú)法直接證明在連接線之后的圖形是否是平行四邊形，所以一般會(huì)提出讓學(xué)生將兩個(gè)分力以鄰邊的方式作平行四邊形，并觀察其所呈現(xiàn)的夾角線是否和合力相重合。但是，在實(shí)際的操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩者之間仍然存在偏差，許多學(xué)生會(huì)下意識(shí)認(rèn)為這一種偏差是誤差，同時(shí)也有學(xué)生提出在連接線后所呈現(xiàn)的圖形并不是平行四邊形，對(duì)此，這也就提供了一個(gè)研究問(wèn)題。對(duì)于這一現(xiàn)象，其主要有兩種可能，一種是誤差，另一種是本身就錯(cuò)誤。如果是誤差，便需要考慮系統(tǒng)誤差或偶然誤差，考慮到偶然誤差的特征，先將學(xué)生劃分為多個(gè)小組，并讓一半的小組在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中確定兩個(gè)分力的夾角成銳角，另一半的小組中兩個(gè)分力的夾角為鈍角，最終結(jié)果并不統(tǒng)一，有合力在對(duì)角線左側(cè)的，同時(shí)也有右側(cè)的。通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)以及最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最終提出關(guān)于力的合成可以遵循平行四邊形法則，實(shí)驗(yàn)中的偏差現(xiàn)象是因?yàn)榕既徽`差而導(dǎo)致的，并且可以進(jìn)一步地提出關(guān)于“科研人員在實(shí)驗(yàn)中會(huì)對(duì)誤差實(shí)行定量分析，從而確定這一誤差是否屬于實(shí)驗(yàn)偶然誤差，從而在下結(jié)論時(shí)更有確定性”。通過(guò)這樣的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)態(tài)度，促使學(xué)生意識(shí)到任何簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)都不能通過(guò)幾次研究而直接獲得結(jié)論，而是需要不斷地嘗試與探索才行。

四、 應(yīng)用誤差分析，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加精確

下面以氣體的等溫變化為例進(jìn)行探討。在討論到一定量氣體的等溫變化規(guī)律的過(guò)程中，當(dāng)前許多的教師都是以開(kāi)展DIS實(shí)驗(yàn)為主，氣體的壓強(qiáng)可以借助壓強(qiáng)傳感器的方式進(jìn)行測(cè)量，氣體本身的體積可以通過(guò)注射器當(dāng)中的刻度直接度數(shù)。那么這也就形成一個(gè)問(wèn)題，對(duì)于所采集到的數(shù)據(jù)，一般是以先作P-V的圖像，之后結(jié)合P-V圖像實(shí)行進(jìn)一步的P和V的可能性關(guān)系，并再作P-1/V的圖像驗(yàn)證猜想的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所作的P-1/V的圖像一般在線性度方面比較高，但是不通過(guò)原點(diǎn)學(xué)生通過(guò)定性分析之后可以發(fā)現(xiàn)，在溫度達(dá)到一定量時(shí)，如果1/V=0，那么V應(yīng)當(dāng)為無(wú)窮大，此時(shí)的氣體已經(jīng)相當(dāng)稀薄，并且壓強(qiáng)P應(yīng)當(dāng)為0。對(duì)此，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中P-1/V圖像無(wú)法通過(guò)原點(diǎn)則應(yīng)當(dāng)是因?yàn)檎`差所導(dǎo)致的。在對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)分析之后認(rèn)為，其主要是沒(méi)有考慮壓強(qiáng)傳感器和注射器之間的軟管中氣體的體積，在分析后認(rèn)為這一部分的體積應(yīng)當(dāng)是1cm3左右。通過(guò)對(duì)原本數(shù)據(jù)的修改，再次作P-1/V圖像雖然也不完全通過(guò)原點(diǎn)，但是和之前相比與原點(diǎn)的距離更近。對(duì)此，便可以明確之前的猜想，同時(shí)也提高了學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)中誤差的理解與認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

五、 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，中學(xué)物理是一門基礎(chǔ)性的課程，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的誤差分析在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中的重要性相當(dāng)明顯，其不僅是一種科研探討能力的培養(yǎng)措施，更是一種態(tài)度、精神的培養(yǎng)措施。在今后的物理教學(xué)過(guò)程中，不能忽略對(duì)于誤差的分析，教師應(yīng)當(dāng)將誤差本身作為實(shí)驗(yàn)中重要的教學(xué)因素之一，從而推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量得到提高。

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作者簡(jiǎn)介：

黃首義，福建省三明市，尤溪五中。endprint