物理實驗誤差及其分析處理

摘 要: 物理實驗離不開對物理量進行測量。由于測量儀器、實驗條件、測量方法與人為因素的局限，測量是不可能無限精確的，測量結(jié)果與客觀存在的真值之間總有一定的差異，也就是說總是存在著測量誤差。本文分析了實驗誤差產(chǎn)生原因，以及如何分析實驗誤差，從而來減小實驗誤差。

關(guān)鍵詞: 物理實驗 實驗誤差 分析 處理

物理實驗離不開對物理量進行測量。由于測量儀器、實驗條件、測量方法與人為因素的局限，測量是不可能無限精確的，測量結(jié)果與客觀存在的真值之間總有一定的差異，也就是說總是存在著測量誤差。測量的誤差大小反映了我們的認識與客觀真實的接近程度。雖然實驗中的誤差是不可避免的，但誤差是應(yīng)該且可以盡量減小的。對實驗結(jié)果的誤差產(chǎn)生的原因進行分析，有助于對學(xué)生進行嚴密的科學(xué)思維和能力的訓(xùn)練，提高他們的實驗素養(yǎng)。

一、實驗誤差的產(chǎn)生

誤差是客觀存在的，但誤差有大與小之別，我們只有知道誤差的產(chǎn)生、變大或減小的原因，才能在實驗中盡可能地減小誤差。從誤差產(chǎn)生的來源看，誤差可分系統(tǒng)誤差和偶然誤差。

例1.彈簧測力計測量時的誤差分析

1.偶然誤差

彈簧測力計測量讀數(shù)時，經(jīng)常出現(xiàn)有時讀數(shù)偏大，有時讀數(shù)又可能偏小，每次的讀數(shù)一般不等，這就是測量中存在的偶然誤差。

2.系統(tǒng)誤差

首先，從測力計的設(shè)計上看，在制作刻度時，都是按向上拉設(shè)計的，此時彈簧受自重而伸長。因此向上拉使用時，彈簧的自重對測量沒有影響，此時誤差最小。當我們水平使用時，彈簧的自身重力豎直向下，而彈簧水平放置，此時彈簧自重不會使彈簧長度發(fā)生變化。與豎直向上使用對比，彈簧長度略短，指針沒有指在零刻度線上。這時，使用誤差增大，測量值略小于真實值(但由于變化不大可以忽略不計)。當我們豎直向下用力使用時，彈簧由于自身重力影響而變短，與豎直向上使用相比指針偏離零刻度底線較遠，這時使用誤差較大，測量值比真實值小得多。我們在使用時必須進行零點矯正。

二、實驗誤差的減小

在對誤差進行分析研究確定其產(chǎn)生來源和所屬類型后，可采用適當?shù)姆椒▽ο到y(tǒng)誤差加以限制或減小，使測得值中的誤差得到抵消，從而消弱或減小誤差對結(jié)果的影響。

1.偶然誤差的控制

(1)測量中讀數(shù)誤差的控制

測量儀器的讀數(shù)規(guī)則是:測量誤差出現(xiàn)在哪一位，讀數(shù)就應(yīng)讀到哪一位，一般可根據(jù)測量儀器的最小分度來確定讀數(shù)誤差出現(xiàn)的位置。

(2)數(shù)據(jù)處理過程中測量誤差的控制

數(shù)據(jù)處理問題的各個方面都是與測量誤差問題密切相關(guān)的，總的原則是:數(shù)據(jù)處理不能引進“誤差”的精確度，但也不能因為處理不當而引進“誤差”來，要充分利用和合理取舍所得數(shù)據(jù)，得出最好的結(jié)果來，數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)注意以下幾點。

①在運算中要適當保留有效數(shù)字。

②多次測量后的數(shù)據(jù)要參照一定的判斷決定是否全部數(shù)據(jù)都保留。

③用作圖法處理數(shù)據(jù)時，要注意圖紙大小的選擇，等等。

2.系統(tǒng)誤差的控制

(1)通過更科學(xué)的實驗設(shè)計來減小系統(tǒng)誤差。

不科學(xué)的或者不恰當?shù)膶嶒炘O(shè)計會導(dǎo)致較大的難以忽略的系統(tǒng)誤差。反之，一個科學(xué)的實驗設(shè)計則能有效減少系統(tǒng)誤差。

(2)實驗操作進程中減小測量誤差。

①儀器的調(diào)整和調(diào)節(jié)。儀器要調(diào)整達到規(guī)定的設(shè)計技術(shù)指標，如光具座、天平和電表的靈敏度等。計測儀表要定期校準到它的偏離對實驗結(jié)果所造成的影響可以忽略不計。

②實驗條件的保證。必須保證實驗的理論設(shè)計和儀器裝置所要求的實驗條件。

③儀表的選用。如選用大量程的檔去測量小量值，儀表的偏轉(zhuǎn)只占整個量程中的一小部分，這就會導(dǎo)致相對誤差變大或者是使用這種等級的儀表是浪費的。

④測量安排。要從測量誤差的角度來考慮。有的關(guān)鍵量要進行多次測量，還要想方設(shè)法從各個角度去把它測準;可以多測一些容易測準的量，消去一個或幾個不易測準的量。有時，在測量步驟的安排上作適當?shù)目紤]也可以減小誤差，如有的量在實驗過程中是隨機起伏的，有的量則是定向漂移的，都可以在測量中作出一定的安排來減小誤差。

(3)通過測量后的理論計算提供修正值來減小實驗系統(tǒng)誤差。

有些實驗在現(xiàn)有實驗條件下已很難有大的改進，那么這類實驗就可以通過理論計算提供修正值從而達到減少系統(tǒng)誤差的目的。

例2.伏安法測電阻系統(tǒng)誤差的減小

伏安法測電阻中因電流表分壓和電壓表分流產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差可以通過電路的設(shè)計來減小。

誤差是物理實驗中不可或缺的重要內(nèi)容，不少重要的發(fā)現(xiàn)均是通過對誤差來源和大小仔細分析后得來的。限于初中生的能力，我們不應(yīng)要求他們掌握更難的誤差處理，但讓學(xué)生對實驗誤差及其分析有初步的了解，不僅可以使學(xué)生對實驗有更深刻的認識，而且可以促進學(xué)生的學(xué)習(xí)思考，以對實驗誤差進行有效的控制，培養(yǎng)基本實驗素養(yǎng)。

參考文獻:

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