高中物理實驗數據處理中誤差理論的應用研究

黃軍榮

（福建省光澤縣第二中學）

摘 要：由于實驗環境的難以控制以及實踐操作的些許偏差，高中物理實驗數據往往繁雜多變且存在著一定的誤差，但卻不是所有的誤差都可歸結到實驗條件上。因此，如何正確處理實驗數據，合理使用誤差理論便成為所有高中物理教師的重要教學內容。主要分析了誤差理論的應用在高中物理實驗數據中的重要性，闡述了誤差理論的具體應用，最后總結了誤差理論帶給物理實驗的作用，旨在加強誤差理論在物理實驗數據中的應用，促進學生對物理的真正認識和理解。

關鍵詞：高中物理實驗；數據處理；誤差理論

高中物理是一門理論與實驗相結合的學科。學生通過學習理論，在掌握基礎知識的同時，可培養嚴謹的邏輯思維。學生通過聯系實驗，可將教材內容轉化為實踐，從而加深對理論知識的認識，達到學與做相結合的效果。但是在絕大部分的高中物理實驗當中，由于實驗條件的限制與學生本身實驗操作不當，所得出的實驗數據往往存在較大的誤差。在數據處理中，學生很容易發現所得出的結論與所學的理論知識不符，從而產生極大的困惑，甚至對自己的科學探索信念產生影響。面對這種情況，教師務必適時將“誤差理論”應用于高中物理實驗數據處理中，并讓學生掌握誤差理論，以正確認識自己所得出的實驗數據，正確對待科學。

一、誤差理論應用的重要性

首先，高中物理實驗中的實驗現象大多在生活中都有實際意義，是真實存在于現實生活中的，但是現實生活中的不穩定因素過多，要獲得正確的實驗理論，仍然需要經過一些嚴謹的實驗才能夠完成驗證。同時為了確保實驗的正確性，通常會采用大量的數據來證明，數據的可靠性必須達到一定的標準。然而在實驗過程中，由于一些不確定因素的影響，常常會使實驗的數據產生誤差，這種誤差是不可避免的，但是對實驗又有一定的影響。為了讓實驗的準確性更高，必須在實驗原理沒問題的情況下，科學地使用誤差理論的原理來解決這個問題。在物理實驗中，誤差的存在有其必然性，也有其偶然性，如何解決偶然性，從而得到相對正確的理論，便需要實驗者正確分析誤差，因此對誤差的分析也是實驗的一個重要環節。

其次，誤差理論作為高中考試的必考題目和重點題目，在物理實驗數據處理中有著重要作用。誤差理論和實驗數據處理屬于考試高頻考點，但是實驗數據處理相對而言不容易被忽視，畢竟在課本中它是實實在在存在的理論知識，因此教師對這方面的關注也更多，在平時的授課中強調的程度也比誤差理論更大。而誤差理論往往容易被忽略，教師在講解相關理論知識和題目時，對誤差理論知識一筆帶過，學生掌握得也不夠透徹，處于一個似懂非懂的狀態。因此，當實驗過程中出現誤差時，學生容易將誤差歸結到偶然性的誤差和系統的誤差上，沒有深入研究和探索實驗真正存在的問題，對學生學習物理實驗數據處理并沒有幫助，甚至會對實驗的過程和結果產生一些消極的影響，直接影響到學生物理實驗的正確性。另外，高中物理學習階段，學生對誤差的理解停留在“誤差的存在是正常的，不需要對誤差進行研究和計算”上，這種思維的結果是學生對誤差理論沒有進行定量分析，從而將誤差理論和實驗數據理論分割開，實際上這二者是緊密聯系的。

最后，誤差理論實際上包含了許多物理實驗數據的處理方法，不僅僅是對誤差的分析，也有嚴密的法則方便對數據進行處理，主要被廣泛應用于工業生產中。而在考慮和處理問題的方法中，誤差理論也常常被用到，尤其是處理高級數據時，可見誤差理論與物理實驗數據處理有著不可分割的關系，合理、科學地運用誤差理論，能夠在高中物理實驗數據處理中發揮重要的實質作用。

二、高中物理實驗數據處理中誤差理論的具體應用

1.力的平行四邊形定則驗證實驗

力的平行四邊形定則驗證實驗，在高中階段是一項重要的基本實驗，在實驗過程中，需要獲得的是：與兩個共點分力作用效果相同的實際合力的測量數據，是否和這兩個共點力共同作用構建的理論合力符合，兩個共點力應用的原理是否符合平行四邊形定則。這個實驗涉及實驗的測量數據和理論值之間的誤差，在合理的誤差范圍內，兩者的合力相同，那么印證了平行四邊形的定則。這個實驗需要的材料有木板、橡皮、白紙等，原理是如果兩個作用力F1和F2的作用效果和一個力F的作用效果一樣，那么力F就是F1和F2的合力。學生在進行實驗的過程中，由于誤差的存在，因此理論合力與實際合力很難完全相同，數值甚至可能相差甚遠，部分學生會將其全部歸結于量度用具的不精確或者是實驗材料的不合適等。實際上，其中雖有這部分誤差的存在，但是其誤差影響并不大，出現大誤差的最主要原因依然是學生實驗操作的不當。此時，教師需要及時引導學生，觀察實驗過程中的小細節，爭取將誤差降到最低，確保實驗的準確性，完成實驗的驗證過程。

經過研究分析，誤差的來源可能有以下三個方面：（1）運用平行四邊形的定則進行作圖時，由于作圖不準確產生的誤差；（2）彈簧測力計沒有調零；（3）在使用彈簧測力計時，彈簧外殼與紙張的摩擦以及彈簧與外殼的摩擦造成的誤差。教師在教學中需帶領學生詳細檢查前兩者由于操作不當產生的誤差，在操作誤差消除后的誤差則是可被允許存在的誤差，學生通過自身操作，正確認識到誤差的區別與正確理解誤差理論，在以后的物理實驗中均可獲益良多。

2.探究勻變速直線運動的實驗

實驗中，勻變速直線運動涉及測量加速度的方法，加速度是一個極為抽象的概念，如果教師簡單通過理論的教學，學生不能夠將概念理解得很透徹。因此，教師可以通過直觀的方式進行實驗教學，如通過打點計時器和紙帶，將加速度轉化為較直觀和可以進行測量的具體數值。在實驗過程中，教師要引導學生在加速度實驗設計中分析誤差，選擇合適的實驗參數，從而減少誤差。誤差理論的應用在一定程度上能夠培養學生對待實驗嚴謹和細心的態度。教師在這個過程中，通過誤差理論教學，提高學生分析問題和誤差的能力。在勻變速直線運動實驗中，小車引導紙帶在軌道上做加速運動，穿過打點計時器會留下一連串的數據點。通過逐差法計算出小車運動的加速度如圖

T是打點計數器的周期。為了讓學生的數據處理更方便，這里一個周期為五個時間間隔，s1、s2、s3......是紙帶上相鄰點的距離，學生可以通過測量得出相鄰距離。實驗的誤差主要有兩個部分：（1）測量位移；（2）測量時間。學生通過降低紙帶測量的誤差，有效提高了小車加速度的準確性。

以上案例中，學生通過對誤差來源的分析，盡力糾正人為誤差，使所得的數據越來越接近理論數據，雖然仍有所差別，但已經是誤差理論中可接受的范圍。在此過程中，學生認識了位移和時間對實驗結果的影響，同時由于可接受誤差的存在，清楚地知道了位移和時間測量工具的不足之處，進一步明確了誤差理論的含義，從而潛移默化地培養了嚴謹的理論邏輯和辯證的科學思想觀，可謂一舉多得。

綜上所述，誤差理論應該廣泛應用于高中物理實驗數據處理中，讓實驗的結果和過程更加合理化、科學化，準確性更高。教師通過帶領學生找出誤差來源，解決人為誤差，認識不可逆誤差，可使學生徹底明白誤差理論知識的概念，從而增強學生分析物理實驗數據的能力，提高學生處理數據的能力，在以后的相關實驗中也能夠以嚴謹的態度對待物理。

參考文獻：

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[2]方青松.培養高中生物理實驗數據處理能力的研究[D].華南師范大學，2012.

編輯 高 瓊