余樂樂

(甘肅省榆中縣第二中學,甘肅 蘭州 730100)

1 引言

實驗既是初中物理教學的重要方法,也是初中物理教學的重要內容。實驗能否成功,一方面與師生的操作水平有關,另一方面與實驗器材的選擇有關。究其原因主要有兩點：第一,《義務教育物理課程標準(2022年版)》雖然列出了學生必做實驗項目、儀器及設計提示,但是沒有給出具體儀器的規(guī)格或參數(shù)。[1]教師只能根據教材示意圖和實驗室配備的儀器進行選擇和設計,且教材中的實驗圖片大多為實驗情境示意圖,器材的參數(shù)也未給全,缺乏實踐指導性。第二,教師往往參照成功案例、經驗去選擇實驗器材,基本沒有以實驗誤差理論為指導,由此造成了一些“疑難”實驗,增加了實驗教學的難度。[2]筆者運用誤差理論探討初中物理實驗器材的選擇問題,為初中物理實驗教學提供有益的參考。

2 誤差基本知識

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)在長度測量一節(jié),[3-4]有師生簡單地認為,誤差的要求就是會估讀刻度尺、會多次測量求平均值而減小誤差,然后就將其“拋之腦后”,覺得誤差對實驗來說并不重要,這種觀點是錯誤的,殊不知離開誤差分析的實驗結論是無意義的,因為拿到實驗數(shù)據的評價者難以對實驗做出評判。

在海森堡不確定原理發(fā)現(xiàn)之前,人們認為測量存在真值,因而采用“準確度”評定測量結果,于是用“誤差”來表示測量結果的準確程度,把誤差定義為測量結果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,物理學家認為真值是無法測定的,因而,應采用“不準確度”評定測量結果的可靠程度,于是引入“不確定度”u(或叫誤差范圍)來表示測量結果的可靠范圍,常用標準偏差來表示,并按統(tǒng)計評定和非統(tǒng)計評定分為A類和B類,兩類合成為最終測量結果的不確定度。[5]

2.2 誤差對實驗結果的影響

2.3 中學物理實驗誤差的簡化評定

對于中學物理實驗來說,并不需要“不準確度”這么高層次的實驗結果評定,能掌握“準確度”的基本判定就可以了,即掌握“誤差”而非“誤差的范圍”,以下具體討論中學物理實驗的誤差評定。

δ系主要來源于實驗儀器不夠準確、實驗原理不夠完善以及環(huán)境因素的影響;實驗儀器都有自己的技術標準,而儀器的準確度是最重要的指標之一,因而用儀器的準確度來估計其產生的系統(tǒng)誤差,并考慮中學物理實驗的實驗原理是既定的、對環(huán)境條件要求不高,因而整個實驗的系統(tǒng)誤差主要由實驗儀器決定,且為了適合初學實驗的學生,可把它估計到最大,降低實驗測量的要求,通常的做法是用儀器的精度(分度值)作為系統(tǒng)誤差,對帶有測量準確度級別的儀器,比如電表之類,儀器測量的最大絕對誤差用儀器的量程乘以準確度級別的百分數(shù)來表示。

3 以誤差理論指導實驗器材的選擇

初中物理實驗方案一般是給定的,因而只需用誤差理論指導實驗器材的選擇。器材主要分兩部分,一部分是測量儀器,另一部分是實驗物體,測量是儀器和物體相互作用的過程,誤差就在此過程中產生。因此,需要依據誤差分析結果恰當選擇器材以減小誤差。

3.1 根據測量儀器的量程和分度值選擇實驗物體

3.1.1 測量固體的密度

《義務教育物理課程標準(2022年版)》建議用天平、量筒等測量小石塊的密度。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,且假定石頭材質為花崗巖,ρ石=2.8 g/cm3,下面根據誤差理論,討論石頭質量和體積的選取。

3.1.2 探究浮力大小與哪些因素有關

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

當采用分度值為0.01 N的彈簧測力計時,同理可計算得銅金屬塊V物≥4.33 cm3、m物≥38.54 g,可顯著降低對金屬塊大小的要求。因而,改進此實驗使“測力計示數(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力計。[7-9]

3.2 根據實驗物體選擇測量儀器

相比根據測量儀器選物體,反過來選擇測量儀器要簡單得多,物體給定就代表物體的系統(tǒng)誤差幾乎可忽略不計,因而只要根據既定方案的測量原理,使儀器能符合物體相關量的測量即可。

3.2.1 用電流表、電壓表測電阻

3.2.2 探究電流與電壓、電阻的關系

4 教學建議

通過上述分析可知,不進行誤差分析的實驗是盲目的,且實驗結果是無法評定的。而根據誤差分析進行實驗設計,可以通過預先的誤差估計提高實驗設計效率,促進實驗成功進行,使實驗結果更具說服力,且可對結果和預期估計進行比較,檢視實驗結果的合理性,便于改進和創(chuàng)新實驗。因此用誤差分析指導實驗的設計很有必要,同時也可通過此方式培養(yǎng)學生的科學思維和實驗探究能力,使他們形成科學態(tài)度。[10]物理教師要認真學習誤差理論,并在實踐中積極應用,提高自己的實驗素養(yǎng),有效指導自己的實驗教學。惟有教師的實驗素養(yǎng)提高了,才能通過教學使學生的實驗素養(yǎng)得以發(fā)展。