“問題情境”下電學實驗的系統誤差分析

吳俊峰

(江蘇省宜興中學 江蘇 無錫 214299)

多年來電學實驗系統誤差分析一直是物理實驗教學所關注的難點和高考實驗命題的重要方向.在該方面，學生普遍實踐經驗少，缺乏自主探究的基礎，教師往往急于傳授知識，僅增加訓練來突破難點．但是筆者認為學生能否進行自主探究，關鍵在于教師有沒有給學生創設一種探究的氛圍和一種探究的情境．

中學物理電學實驗中的系統誤差一般專指實驗設計原理不完善而帶來的誤差，特點是同一實驗無論重復多少次，系統誤差總是一直維持偏大或偏小．具體而言，因為電壓表、電流表和電源存在內阻, 從而，對相關電壓和電流的測量帶來一定影響所致.

本文基于“問題情境”教學設計，結合“電流表的內、外接法”課堂教學實踐，對系統誤差的分析課堂教學進行了探討，供大家參考．

1 電流表內接和外接問題的教學思考

教科書中電流表的內、外接問題僅僅通過“問題與練習”中一道習題反映，目的是將其作為歐姆定律在具體情境下的應用，沒有作為獨立的知識點，因此，教學的著眼點首先應該放在串聯電流表分壓和并聯電壓表分流的實驗探究上．但是作為高考實驗考查的難點，在此基礎上還要再將結論進行歸納，提升到系統誤差分析層面，特別是要注重內、外接法的選擇方法的歸納．

2 電流表內接和外接問題的教學實施

用伏安法測電阻時電流表與電壓表一般有兩種接入電路的方法，如圖1(a)、(b)所示．

圖1

第一步：結合課本習題，由學生猜想兩種電路接入恒壓電路時電表讀數的不同，進而探討產生這種現象的原因．教師鼓勵學生通過串、并聯電路、歐姆定律得出部分結論，并歸納總結．

第二步：教師提出可否用上述電路測電阻的問題，引導學生用“歐姆定律”定量分析兩種電路造成測量偏差的直接原因，易得測量結果存在偏大或偏小.

(1)對(a)電路，得

(2)對(b)電路，得

第三步：教師此時應該引入系統誤差概念，通過百分誤差的計算讓學生明確誤差的等級．

(1)若用(a)電路，其百分誤差為

(2)若用(b)電路，其百分誤差為

根據上述結論，教師提出由學生分組討論兩個電路誤差來源和影響因素，學生易得(a)電路誤差來自電壓表的分流影響，RV越大則百分誤差越小；(b)電路誤差來自電流表的分壓影響，RA越小則百分誤差越小．

第四步：學生理論準備已經從基本的串、并聯電路和歐姆定律上升到了具體實驗問題，教師進一步提出實驗中有關決定系統誤差的因素，學生易得實驗器材和方案兩個因素，一旦選定則誤差等級就確定．而后探討怎樣選擇電路.教師提出由學生分組舉例,存在哪些器材組合，并提出根據具體情況得出自己的結論．最后,由教師總結歸納，在具體使用時，一般是面對下列三種情況.

(2)若RV,RA,Rx的大約值不知道，宜用試探法選擇電路．方法是采用圖2所示電路.

圖2

第五步：在學生已經明確電學實驗系統誤差產生根源的情況下，進一步拓展學生探究能力，創設情境，分組討論能否改進實驗方案，開展如何消除電表內阻對測量影響的探究．在教師分析學生提出方案的基礎上，可以引入例題讓學生進行實踐操作．如某組利用如圖3所示的電路測定電阻Rx的值，其主要操作過程如下.

(1)閉合開關S1，將開關S2接2，調節滑動變阻器RP和rP，使電壓表讀數盡量接近滿量程，讀出這時電壓表和電流表的示數U1，I1；

(2)請你接著寫出第二步，并說明需要記錄的數據：______，由以上記錄的數據計算出被測電阻Rx的表達式為Rx=______．

圖3

解析：將開關S2接1，只調節滑動變阻器rP,使電壓表讀數盡量接近滿量程，讀出這時電壓表和電流表的示數U2和I2.

最后,教師提出比較本題方案與普通的伏安法測電阻有何不同，學生易得將RP與電流表看成一個整體，兩次測量中,可通過表達式來消除系統誤差．

3 電流表內接和外接問題的教學反思

在創設“問題情境”教學設計后，通過實踐，學生一般能從課本基本規律的應用能力提升到實驗方案設計、分析能力．不僅如此，通過設置問題和探究，學生從物理規律的接受者逐步轉變為規律發現者和研究者，個別學生還設計出了“補償電路”消除系統誤差的方案，這大大滿足了他們強烈地探索欲望，聰明才智得以迸發，不再處于被動的接受．

因為電阻測量方法存在多樣性，高考命題也是考查測量電路的選擇，注重實驗方案的設計原理．筆者還發現，學生在后期解決電學設計性實驗時，盡管普遍已掌握了基本規律，但解決相似問題的知識遷移能力和創新能力依然薄弱，不能設計出盡可能提高測量精度的方案．通過反思，為解決這個教學難點，體現對學生創新能力的培養，筆者認為還須進一步利用課本中所提供的現成素材,設計探究性實驗課．課本中靈活應用串、并聯電路和歐姆定律，還討論了電表的改裝，通過本課結論，下節課還應基于“問題情境”精心設計“半偏法測量電流表內阻和電表改裝”實驗的系統誤差分析，進一步擴大學生理論聯系實際的應用面．

中學物理教育的宗旨是培養學生的科學素養，注重學生自主探究，不僅要能認識課本中所提供的素材，更重要的是能自己去認識周圍事物，以便能解決更多問題.因此,物理教學的過程就是教師創設情境、提出問題，引導學生自主探究的過程．