论文部分内容阅读
物理学是一门以实验为研究基础的科学.在物理学中,每个概念的建立、每个定律的发现,无不是从科学的实验中推导出来的,可以说,离开了物理实验就没有物理学的发展.
纵观高中物理实验,误差伴随着整个物理教学过程,可见误差分析在高中物理实验中要特别注意.实验中的误差分析其目的是对测量结果做出评定,最大限度地减少测量误差,或指出减少测量误差的方向,提高测量质量,提高测量结果的可信度.
由于高中生的认知能力比较低,误差分析可帮助学生加深对物理实验的理解.
如何在高中物理实验中实施误差分析教学呢?我认为应从以下方面着手.
一、知道误差产生的原因
进行物理实验,不仅要进行定量的观察,还要进行定量的测量,以取得物理量的数量.根据测量的方法可分为直接测量和间接测量,高中物理实验中大多是间接测量.
在高中物理实验中,测量值与真实值之间的差异称为误差.误差存在于一切测量之中,而且贯穿测量过程的始终.在物理实验过程中,误差是客观存在的、不可避免的,它只能减小,不能消除.
二、分清绝对误差和相对误差
在任何测量过程中,由于测量仪器、实验条件及其他原因,测量是不能无限精确的,测量结果与客观存在的真值之间总有一定的差异,测量值N与真值N0之差定义为误差,即ΔN=N-N0.显然,误差ΔN有正负之分,因为它是指与真值的差值,常称为绝对误差.大家应该注意,绝对误差不是误差的绝对值!绝对误差与真值之比的百分数叫相对误差,用E表示:
E=ΔNN0×100%.
由于真值无法知道,所以计算相对误差时常用N代替N0.在这种情况下,N可能是公认值,或高一级精确仪器的测量值,或测量值的平均值.
相对误差用来表示测量的相对精确度,其值用百分数表示,保留两位数.
两个值均可用于表示实验的精确度,但是绝对误差不仅和实验本身相关,而且和真值大小有密切的关系,所以很难准确地说明实验本身的精确程度.
我们平时更多的是强调绝对误差,这就会造成学生对某些实验结果产生怀疑.
三、分清随机误差和系统误差
1.随机误差
在物理实验中,我们即使采取了措施,对系统误差进行修正,并且进行了精心观测,测量的结果仍会存在差异,其误差值的大小或符号的正负都无确定性.这种误差是由感官灵敏度和仪器精确度所决定的,是由周围的环境干扰以及其他不可预测的随机因素造成的,因而把它叫做随机误差.
当测量次数很多,随机误差就显示出明显的规律性.实验和理论都证明,随机误差的分布是正态分布,其特点是:绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大;绝对值相等的正负误差出现的概率相同;绝对值很大的误差出现的概率趋于零.因此,在物理实验中增加测量次数求平均值,可以减小随机误差,但同样不能完全消除.
2.系统误差
系统误差是在一定条件下(指使用的仪器、方法、测量时的环境和测量者均一定),对同一物理量进行多次重复测量,各次测量的结果对真实值的偏差总是具有相同的倾向性,即总是偏大或者偏小.系统误差的特征是它的规律的确定性.
例如,游标卡尺的零刻线不准,使每次测量的结果总是偏大或者偏小.
系统误差的来源有:
(1)仪器误差.由仪器本身的缺陷或没有按规定使用仪器而造成的.
(2)理论误差.由实验所依据的理论、实验条件或实验方法本身不完善所造成的.
(3)人身误差.由观测者本身的生理或心理特点造成的.
既然系统误差不能消除,如何来减小系统误差呢?我们可以通过下述方法减小系统误差:
(1)通过完善实验条件来减小系统误差.如果实验过程中的实验条件不满足,即使实验过程中直接测量的数据很准确,所求的最终量依然会存在较大的偏差.
(2)通过更科学的实验设计来减小实验误差.如果实验设计中存在较大的缺陷,就算实验数据采集得再准确,也会对实验结果产生较大的偏差.如果采用科学的设计方法替代传统方法,就能减小实验过程中的系统误差.
此外,提高实验仪器的精确度、完善实验原理、提高实验技能等,也可减小实验的系统误差.
纵观高中物理实验,误差伴随着整个物理教学过程,可见误差分析在高中物理实验中要特别注意.实验中的误差分析其目的是对测量结果做出评定,最大限度地减少测量误差,或指出减少测量误差的方向,提高测量质量,提高测量结果的可信度.
由于高中生的认知能力比较低,误差分析可帮助学生加深对物理实验的理解.
如何在高中物理实验中实施误差分析教学呢?我认为应从以下方面着手.
一、知道误差产生的原因
进行物理实验,不仅要进行定量的观察,还要进行定量的测量,以取得物理量的数量.根据测量的方法可分为直接测量和间接测量,高中物理实验中大多是间接测量.
在高中物理实验中,测量值与真实值之间的差异称为误差.误差存在于一切测量之中,而且贯穿测量过程的始终.在物理实验过程中,误差是客观存在的、不可避免的,它只能减小,不能消除.
二、分清绝对误差和相对误差
在任何测量过程中,由于测量仪器、实验条件及其他原因,测量是不能无限精确的,测量结果与客观存在的真值之间总有一定的差异,测量值N与真值N0之差定义为误差,即ΔN=N-N0.显然,误差ΔN有正负之分,因为它是指与真值的差值,常称为绝对误差.大家应该注意,绝对误差不是误差的绝对值!绝对误差与真值之比的百分数叫相对误差,用E表示:
E=ΔNN0×100%.
由于真值无法知道,所以计算相对误差时常用N代替N0.在这种情况下,N可能是公认值,或高一级精确仪器的测量值,或测量值的平均值.
相对误差用来表示测量的相对精确度,其值用百分数表示,保留两位数.
两个值均可用于表示实验的精确度,但是绝对误差不仅和实验本身相关,而且和真值大小有密切的关系,所以很难准确地说明实验本身的精确程度.
我们平时更多的是强调绝对误差,这就会造成学生对某些实验结果产生怀疑.
三、分清随机误差和系统误差
1.随机误差
在物理实验中,我们即使采取了措施,对系统误差进行修正,并且进行了精心观测,测量的结果仍会存在差异,其误差值的大小或符号的正负都无确定性.这种误差是由感官灵敏度和仪器精确度所决定的,是由周围的环境干扰以及其他不可预测的随机因素造成的,因而把它叫做随机误差.
当测量次数很多,随机误差就显示出明显的规律性.实验和理论都证明,随机误差的分布是正态分布,其特点是:绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大;绝对值相等的正负误差出现的概率相同;绝对值很大的误差出现的概率趋于零.因此,在物理实验中增加测量次数求平均值,可以减小随机误差,但同样不能完全消除.
2.系统误差
系统误差是在一定条件下(指使用的仪器、方法、测量时的环境和测量者均一定),对同一物理量进行多次重复测量,各次测量的结果对真实值的偏差总是具有相同的倾向性,即总是偏大或者偏小.系统误差的特征是它的规律的确定性.
例如,游标卡尺的零刻线不准,使每次测量的结果总是偏大或者偏小.
系统误差的来源有:
(1)仪器误差.由仪器本身的缺陷或没有按规定使用仪器而造成的.
(2)理论误差.由实验所依据的理论、实验条件或实验方法本身不完善所造成的.
(3)人身误差.由观测者本身的生理或心理特点造成的.
既然系统误差不能消除,如何来减小系统误差呢?我们可以通过下述方法减小系统误差:
(1)通过完善实验条件来减小系统误差.如果实验过程中的实验条件不满足,即使实验过程中直接测量的数据很准确,所求的最终量依然会存在较大的偏差.
(2)通过更科学的实验设计来减小实验误差.如果实验设计中存在较大的缺陷,就算实验数据采集得再准确,也会对实验结果产生较大的偏差.如果采用科学的设计方法替代传统方法,就能减小实验过程中的系统误差.
此外,提高实验仪器的精确度、完善实验原理、提高实验技能等,也可减小实验的系统误差.