用誤差理論指導(dǎo)初中物理實(shí)驗(yàn)器材選擇

余樂樂

(甘肅省榆中縣第二中學(xué),甘肅 蘭州 730100)

1 引言

實(shí)驗(yàn)既是初中物理教學(xué)的重要方法,也是初中物理教學(xué)的重要內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒?一方面與師生的操作水平有關(guān),另一方面與實(shí)驗(yàn)器材的選擇有關(guān)。究其原因主要有兩點(diǎn)：第一,《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》雖然列出了學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、儀器及設(shè)計(jì)提示,但是沒有給出具體儀器的規(guī)格或參數(shù)。[1]教師只能根據(jù)教材示意圖和實(shí)驗(yàn)室配備的儀器進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì),且教材中的實(shí)驗(yàn)圖片大多為實(shí)驗(yàn)情境示意圖,器材的參數(shù)也未給全,缺乏實(shí)踐指導(dǎo)性。第二,教師往往參照成功案例、經(jīng)驗(yàn)去選擇實(shí)驗(yàn)器材,基本沒有以實(shí)驗(yàn)誤差理論為指導(dǎo),由此造成了一些“疑難”實(shí)驗(yàn),增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難度。[2]筆者運(yùn)用誤差理論探討初中物理實(shí)驗(yàn)器材的選擇問題,為初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有益的參考。

2 誤差基本知識(shí)

2.1 誤差及其分類

初中物理教材中誤差的定義、來源及減小方法主要出現(xiàn)在長(zhǎng)度測(cè)量一節(jié),[3-4]有師生簡(jiǎn)單地認(rèn)為,誤差的要求就是會(huì)估讀刻度尺、會(huì)多次測(cè)量求平均值而減小誤差,然后就將其“拋之腦后”,覺得誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)來說并不重要,這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的,殊不知離開誤差分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是無意義的,因?yàn)槟玫綄?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)者難以對(duì)實(shí)驗(yàn)做出評(píng)判。

在海森堡不確定原理發(fā)現(xiàn)之前,人們認(rèn)為測(cè)量存在真值,因而采用“準(zhǔn)確度”評(píng)定測(cè)量結(jié)果,于是用“誤差”來表示測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度,把誤差定義為測(cè)量結(jié)果Xi減去真值X真,即：δ=Xi-X真。

海森堡不確定原理發(fā)現(xiàn)數(shù)年后,物理學(xué)家認(rèn)為真值是無法測(cè)定的,因而,應(yīng)采用“不準(zhǔn)確度”評(píng)定測(cè)量結(jié)果的可靠程度,于是引入“不確定度”u(或叫誤差范圍)來表示測(cè)量結(jié)果的可靠范圍,常用標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示,并按統(tǒng)計(jì)評(píng)定和非統(tǒng)計(jì)評(píng)定分為A類和B類,兩類合成為最終測(cè)量結(jié)果的不確定度。[5]

2.2 誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

2.3 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)誤差的簡(jiǎn)化評(píng)定

對(duì)于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)來說,并不需要“不準(zhǔn)確度”這么高層次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定,能掌握“準(zhǔn)確度”的基本判定就可以了,即掌握“誤差”而非“誤差的范圍”,以下具體討論中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的誤差評(píng)定。

δ系主要來源于實(shí)驗(yàn)儀器不夠準(zhǔn)確、實(shí)驗(yàn)原理不夠完善以及環(huán)境因素的影響;實(shí)驗(yàn)儀器都有自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),而儀器的準(zhǔn)確度是最重要的指標(biāo)之一,因而用儀器的準(zhǔn)確度來估計(jì)其產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差,并考慮中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理是既定的、對(duì)環(huán)境條件要求不高,因而整個(gè)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差主要由實(shí)驗(yàn)儀器決定,且為了適合初學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生,可把它估計(jì)到最大,降低實(shí)驗(yàn)測(cè)量的要求,通常的做法是用儀器的精度(分度值)作為系統(tǒng)誤差,對(duì)帶有測(cè)量準(zhǔn)確度級(jí)別的儀器,比如電表之類,儀器測(cè)量的最大絕對(duì)誤差用儀器的量程乘以準(zhǔn)確度級(jí)別的百分?jǐn)?shù)來表示。

3 以誤差理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)器材的選擇

初中物理實(shí)驗(yàn)方案一般是給定的,因而只需用誤差理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)器材的選擇。器材主要分兩部分,一部分是測(cè)量?jī)x器,另一部分是實(shí)驗(yàn)物體,測(cè)量是儀器和物體相互作用的過程,誤差就在此過程中產(chǎn)生。因此,需要依據(jù)誤差分析結(jié)果恰當(dāng)選擇器材以減小誤差。

3.1 根據(jù)測(cè)量?jī)x器的量程和分度值選擇實(shí)驗(yàn)物體

3.1.1 測(cè)量固體的密度

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》建議用天平、量筒等測(cè)量小石塊的密度。假定選擇的天平的量程為200 g、感量為0.2 g,量筒的量程為100 mL、分度值為1 mL,且假定石頭材質(zhì)為花崗巖,ρ石=2.8 g/cm3,下面根據(jù)誤差理論,討論石頭質(zhì)量和體積的選取。

3.1.2 探究浮力大小與哪些因素有關(guān)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》建議用水、鹽水、金屬塊、彈簧測(cè)力計(jì)等探究金屬塊所受浮力的影響因素。假定選擇的彈簧測(cè)力計(jì)的量程為5 N、分度值為0.1 N,且設(shè)定水的密度為1.0 g/cm3、鹽水的密度為1.2 g/cm3,下面根據(jù)誤差理論討論金屬塊質(zhì)量和體積的選取。

當(dāng)采用分度值為0.01 N的彈簧測(cè)力計(jì)時(shí),同理可計(jì)算得銅金屬塊V物≥4.33 cm3、m物≥38.54 g,可顯著降低對(duì)金屬塊大小的要求。因而,改進(jìn)此實(shí)驗(yàn)使“測(cè)力計(jì)示數(shù)在不同液體中有明顯變化”的辦法為：(1) 選擇較大體積的物體;(2) 選擇分度值更小的彈簧測(cè)力計(jì)。[7-9]

3.2 根據(jù)實(shí)驗(yàn)物體選擇測(cè)量?jī)x器

相比根據(jù)測(cè)量?jī)x器選物體,反過來選擇測(cè)量?jī)x器要簡(jiǎn)單得多,物體給定就代表物體的系統(tǒng)誤差幾乎可忽略不計(jì),因而只要根據(jù)既定方案的測(cè)量原理,使儀器能符合物體相關(guān)量的測(cè)量即可。

3.2.1 用電流表、電壓表測(cè)電阻

3.2.2 探究電流與電壓、電阻的關(guān)系

4 教學(xué)建議

通過上述分析可知,不進(jìn)行誤差分析的實(shí)驗(yàn)是盲目的,且實(shí)驗(yàn)結(jié)果是無法評(píng)定的。而根據(jù)誤差分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),可以通過預(yù)先的誤差估計(jì)提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)效率,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)成功進(jìn)行,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說服力,且可對(duì)結(jié)果和預(yù)期估計(jì)進(jìn)行比較,檢視實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性,便于改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。因此用誤差分析指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)很有必要,同時(shí)也可通過此方式培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力,使他們形成科學(xué)態(tài)度。[10]物理教師要認(rèn)真學(xué)習(xí)誤差理論,并在實(shí)踐中積極應(yīng)用,提高自己的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng),有效指導(dǎo)自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。惟有教師的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)提高了,才能通過教學(xué)使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)得以發(fā)展。