高中物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中誤差理論的應(yīng)用

李雙蓮

（曲靖市會澤縣實(shí)驗(yàn)高級中學(xué)校 云南 曲靖 654200）

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的課程，同時兼具對大自然的探索。在物理實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)過程中，教師如何上好實(shí)驗(yàn)課堂，是這門課程的關(guān)鍵所在。在物理實(shí)驗(yàn)中往往會得到大量的數(shù)據(jù)，對于得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的處理也關(guān)乎課堂的質(zhì)量。在此過程中進(jìn)行誤差理論的教學(xué)顯得尤為必要。在實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師就需要帶領(lǐng)學(xué)生正確認(rèn)識到誤差處理的重要性，同時在教學(xué)時進(jìn)行誤差理論知識的傳授，并帶領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行理論知識的運(yùn)用，使得學(xué)生的物理學(xué)習(xí)更上一層樓。

1.高中物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理誤差理論應(yīng)用的必要性

1.1 數(shù)據(jù)誤差的偶然性

在高中物理的教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)是在所難免的，而物理實(shí)驗(yàn)是教材知識的現(xiàn)實(shí)具象化，在實(shí)際的操作實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行結(jié)論的推導(dǎo)，同時物理實(shí)驗(yàn)的過程中離不開其大量的數(shù)據(jù)支撐。為此想要提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，就需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，使得數(shù)據(jù)更加具有可靠性。實(shí)際的運(yùn)用過程中，數(shù)據(jù)往往存在很多的不確定因素對齊造成影響，使得學(xué)生在實(shí)際操作的過程中容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)偶然誤差問題，而想要解決這一問題就需要進(jìn)行誤差理論的研究，對問題進(jìn)行分析，快速得出結(jié)論，進(jìn)行誤差的控制。[1]

1.2 數(shù)據(jù)處理的必要性

在物理實(shí)驗(yàn)中，誤差理論發(fā)揮著重要作用。誤差理論是當(dāng)下物理考試中熱門考點(diǎn)之一，與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)誤差相比較而言，誤差理論容易被教師所忽視，而學(xué)生在實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)過程中往往會把誤差的出現(xiàn)歸結(jié)為偶然性。此種情況對于學(xué)生的學(xué)習(xí)來說極為不利，容易使得學(xué)生不進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差總結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法順利完成，得出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)的過程中，也存在誤差是正常的思維模式中，很多時候不去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差分析，進(jìn)行定量分析，很難進(jìn)行正確的物理實(shí)驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)誤差的處理方法

還在物理的教學(xué)過程中對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法有很多種，進(jìn)行分析和總結(jié)誤差存在的原因，然后進(jìn)行處理，同時把誤差理論應(yīng)用于實(shí)際實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。學(xué)生根據(jù)誤差理論較快地得出實(shí)際實(shí)驗(yàn)中存在誤差的原因，然后更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)打磨，從而獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的總結(jié)，鞏固誤差理論在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用。

2.物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理存在問題

2.1 學(xué)生主體地位忽視

在物理實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的主體是學(xué)生，而在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生如果不重視數(shù)據(jù)的處理，不主動進(jìn)行誤差分析，那么實(shí)驗(yàn)得出來的結(jié)果往往是不可靠的。在實(shí)際的教學(xué)過程中，進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差分析處理的學(xué)生占很小一部分，大部分的學(xué)生往往還不能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，無法將數(shù)據(jù)完整地記錄下來。如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中忽視了數(shù)據(jù)的處理，那么在最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)束時就無法很好地得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，只有很小一部分學(xué)生可以完整地進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，進(jìn)行總結(jié)。而大部分學(xué)生的試驗(yàn)報(bào)告都存在著互相抄襲的現(xiàn)象，還有的學(xué)生整個報(bào)告都是亂寫的。又是看來實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上存在著很多的問題，也給后面的實(shí)驗(yàn)帶來很大的問題，因此教師要注重?cái)?shù)據(jù)的精確處理。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法單一

在實(shí)驗(yàn)中掌握常用的方法往往是不夠的，許多學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)還是有興趣的，但是在實(shí)驗(yàn)的整體過程中，實(shí)際操作知識實(shí)驗(yàn)中很小的一部分，其后的數(shù)據(jù)處理才是實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。只有在教學(xué)過程中重視對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理才能很好地掌握和了解這個實(shí)驗(yàn)。在物理的教學(xué)過程中，教學(xué)往往不夠明確。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往也會產(chǎn)生惰性思想，不給予適當(dāng)?shù)膲毫W(xué)生就會懈怠。而在實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)中，教師為課堂的主導(dǎo)，如果教師的教學(xué)方法不夠得當(dāng)，往往會對學(xué)生產(chǎn)生負(fù)面影響，制約學(xué)生的發(fā)展，嚴(yán)重的甚至?xí)沟脤W(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大大減少，讓學(xué)生不喜歡物理實(shí)驗(yàn)，從而真正的教學(xué)目的背道而馳。

2.3 數(shù)據(jù)處理工具缺少

當(dāng)今社會，信息化技術(shù)高速發(fā)展，學(xué)生在日常生活中往往也能接觸到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理。隨著計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，計(jì)算機(jī)離學(xué)生越來越近，可以幫助學(xué)生上網(wǎng)查閱資料，通過聊天關(guān)于與同學(xué)，朋友相互交流，又或是使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行娛樂。同時在數(shù)據(jù)處理方面，學(xué)生往往會忽略使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，此種數(shù)據(jù)處理方法鮮為人知。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師還可以利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的開展，幫助學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在物理教學(xué)的過程中，物理知識的繼續(xù)存在著局限性，學(xué)生往往是生活在城市中，無法很好地與大自然進(jìn)行接觸，對于物理的了解局限于課本上的知識，復(fù)發(fā)很好的體會物理知識的奧秘。而物理實(shí)驗(yàn)又來自于大自然，教師要注重在物理實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)誤差處理。在實(shí)驗(yàn)過程中對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，幫助學(xué)生更直觀地認(rèn)識自然物理的含義。

3.高中物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差處理的對策

3.1 驗(yàn)證力的平行四邊形定則實(shí)驗(yàn)

平行四邊形定則一直是高中重要的教學(xué)實(shí)驗(yàn)之一。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，需要進(jìn)行兩個共點(diǎn)力數(shù)據(jù)的測量，同時分析的兩個力合力的效果。通過實(shí)際測量，論證兩個共點(diǎn)力是否與平行四邊形定則構(gòu)建的理論相吻合。這次時間往往會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)誤差，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如果誤差在允許范圍之內(nèi)，那么這個實(shí)驗(yàn)是成功的，如果不是，在這個實(shí)驗(yàn)室失敗的。因此教師在教學(xué)過程中要注意實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差是否在允許范圍之內(nèi)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行誤差分析與調(diào)整。

例如，在“驗(yàn)證平行四邊形定理”的實(shí)驗(yàn)中，還有學(xué)生準(zhǔn)備木板，白紙，橡皮條。平行四邊形原理是兩個力F1和F2作用效果和一個力F的作用效果相同，那么這個力就是兩個力的合力。在實(shí)際的測量中往往存在著誤差，因此在實(shí)驗(yàn)過程中合力F很難與另外兩個力的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果完全相同。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時，學(xué)生的操作往往會造成更大的誤差。因此就需要教師進(jìn)行相關(guān)的引導(dǎo)，分析數(shù)據(jù)流產(chǎn)的來源，但學(xué)生將誤差降到最低。經(jīng)過分析得知，實(shí)驗(yàn)的誤差來源于：在實(shí)驗(yàn)室沒有把彈簧測力計(jì)調(diào)零，彈簧測力計(jì)的外殼與紙殼之間有摩擦，實(shí)驗(yàn)作圖時合力圖不準(zhǔn)確。

3.2 勻變速直線運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)探究

在高中的物理實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差理論的應(yīng)用，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中充分地理解誤差理論中所說的系統(tǒng)誤差，偶然誤差，絕對誤差和相對誤差的基本知識，同時在實(shí)驗(yàn)過程中還要準(zhǔn)確的區(qū)分精度與準(zhǔn)確度，還需要擁有較為強(qiáng)大的計(jì)算能力。無論什么物理實(shí)驗(yàn)過程中，都會產(chǎn)生一些誤差，這是物理實(shí)驗(yàn)中所無法避免。但是實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中誤差是存在著一個區(qū)間，如果說實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)在此無償范圍內(nèi)較小，與理論上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相近，那么此次試驗(yàn)較為成功。如果在此次實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的誤差較大，那么此次實(shí)驗(yàn)較為失敗，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是毫無疑義的。

3.3 測量電源電動勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)

測量電源電動勢與內(nèi)阻是極為重要部分。再次試驗(yàn)的進(jìn)行過程中往往會出現(xiàn)多個因素對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。如不同的實(shí)驗(yàn)方法會造成系統(tǒng)上的誤差，而使用的器材不同，往往也會造成系統(tǒng)誤差。同時學(xué)生在知識的學(xué)習(xí)過程中對誤差認(rèn)識不夠全面，無法很好的辨別差。而在電源電動勢與內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)電路主要有四種：一是電阻值電阻箱與電流表和電源串聯(lián)，二是已知電阻者的電阻箱和電壓以及電源并聯(lián)。而第三種第四種是通過滑動變阻器，電流表等常見電器進(jìn)行連接。而在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，第一種與第二種往往不會存在系統(tǒng)誤差，第三種和第四種往往會存在著很大的誤差。在此過程中，教師就可以帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行誤差分析，得到一個準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

例如，在實(shí)驗(yàn)開始時教師先要求學(xué)生進(jìn)行電壓值與電流的記錄，并進(jìn)行計(jì)算得到電源的電動勢和內(nèi)阻：E=U1+I1rE=U2+I2r同時，教師要求學(xué)生進(jìn)行多組數(shù)據(jù)測量，使得測量結(jié)果更加精確，減少測量的誤差。在得到多組的電壓與電流值后，教師就可以要求學(xué)生根據(jù)測量的結(jié)果進(jìn)行電壓電流之間關(guān)系圖像的繪制。在第四章電路中，電流表內(nèi)接，電表測量的就是電源兩端的電壓，電壓表的內(nèi)阻分走了電流，使得實(shí)際測量結(jié)果存在著較大誤差。ΔI=II測-I真通過實(shí)際的計(jì)算得知，隨著電壓的增大，電流的誤差也將增大，如果實(shí)驗(yàn)中的電壓為零，實(shí)際的誤差就不存在。對于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析找出實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)存在的誤差，將誤差減到最小，在第四種電路設(shè)計(jì)中，就需要將實(shí)驗(yàn)中的電壓表內(nèi)阻增大。在此實(shí)驗(yàn)中，教師需要帶領(lǐng)學(xué)生先進(jìn)性理論的分析，然后進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測量，再對理論進(jìn)行驗(yàn)證，以得到正確的結(jié)論。

總而言之，在高中物理的教學(xué)過程中，就是要注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，在教學(xué)中廣泛運(yùn)用誤差理論進(jìn)行教學(xué)。使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中能夠更科學(xué)有效地進(jìn)行結(jié)果的分析。帶領(lǐng)學(xué)生深刻認(rèn)識到誤差理論在物理實(shí)驗(yàn)中的重要性，提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力。讓學(xué)生在實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行更廣泛的誤差分析，動手實(shí)踐得出結(jié)論，促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度以及對實(shí)驗(yàn)的探索精神。為學(xué)生日后的物理學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。