余乐乐

(甘肃省榆中县第二中学,甘肃 兰州 730100)

1 引言

实验既是初中物理教学的重要方法,也是初中物理教学的重要内容。实验能否成功,一方面与师生的操作水平有关,另一方面与实验器材的选择有关。究其原因主要有两点：第一,《义务教育物理课程标准(2022年版)》虽然列出了学生必做实验项目、仪器及设计提示,但是没有给出具体仪器的规格或参数。[1]教师只能根据教材示意图和实验室配备的仪器进行选择和设计,且教材中的实验图片大多为实验情境示意图,器材的参数也未给全,缺乏实践指导性。第二,教师往往参照成功案例、经验去选择实验器材,基本没有以实验误差理论为指导,由此造成了一些“疑难”实验,增加了实验教学的难度。[2]笔者运用误差理论探讨初中物理实验器材的选择问题,为初中物理实验教学提供有益的参考。

2 误差基本知识

2.1 误差及其分类

初中物理教材中误差的定义、来源及减小方法主要出现在长度测量一节,[3-4]有师生简单地认为,误差的要求就是会估读刻度尺、会多次测量求平均值而减小误差,然后就将其“抛之脑后”,觉得误差对实验来说并不重要,这种观点是错误的,殊不知离开误差分析的实验结论是无意义的,因为拿到实验数据的评价者难以对实验做出评判。

在海森堡不确定原理发现之前,人们认为测量存在真值,因而采用“准确度”评定测量结果,于是用“误差”来表示测量结果的准确程度,把误差定义为测量结果Xi减去真值X真,即：δ=Xi-X真。

海森堡不确定原理发现数年后,物理学家认为真值是无法测定的,因而,应采用“不准确度”评定测量结果的可靠程度,于是引入“不确定度”u(或叫误差范围)来表示测量结果的可靠范围,常用标准偏差来表示,并按统计评定和非统计评定分为A类和B类,两类合成为最终测量结果的不确定度。[5]

2.2 误差对实验结果的影响

2.3 中学物理实验误差的简化评定

对于中学物理实验来说,并不需要“不准确度”这么高层次的实验结果评定,能掌握“准确度”的基本判定就可以了,即掌握“误差”而非“误差的范围”,以下具体讨论中学物理实验的误差评定。

δ系主要来源于实验仪器不够准确、实验原理不够完善以及环境因素的影响;实验仪器都有自己的技术标准,而仪器的准确度是最重要的指标之一,因而用仪器的准确度来估计其产生的系统误差,并考虑中学物理实验的实验原理是既定的、对环境条件要求不高,因而整个实验的系统误差主要由实验仪器决定,且为了适合初学实验的学生,可把它估计到最大,降低实验测量的要求,通常的做法是用仪器的精度(分度值)作为系统误差,对带有测量准确度级别的仪器,比如电表之类,仪器测量的最大绝对误差用仪器的量程乘以准确度级别的百分数来表示。

3 以误差理论指导实验器材的选择

初中物理实验方案一般是给定的,因而只需用误差理论指导实验器材的选择。器材主要分两部分,一部分是测量仪器,另一部分是实验物体,测量是仪器和物体相互作用的过程,误差就在此过程中产生。因此,需要依据误差分析结果恰当选择器材以减小误差。

3.1 根据测量仪器的量程和分度值选择实验物体

3.1.1 测量固体的密度

《义务教育物理课程标准(2022年版)》建议用天平、量筒等测量小石块的密度。假定选择的天平的量程为200 g、感量为0.2 g,量筒的量程为100 mL、分度值为1 mL,且假定石头材质为花岗岩,ρ石=2.8 g/cm3,下面根据误差理论,讨论石头质量和体积的选取。

3.1.2 探究浮力大小与哪些因素有关

《义务教育物理课程标准(2022年版)》建议用水、盐水、金属块、弹簧测力计等探究金属块所受浮力的影响因素。假定选择的弹簧测力计的量程为5 N、分度值为0.1 N,且设定水的密度为1.0 g/cm3、盐水的密度为1.2 g/cm3,下面根据误差理论讨论金属块质量和体积的选取。

当采用分度值为0.01 N的弹簧测力计时,同理可计算得铜金属块V物≥4.33 cm3、m物≥38.54 g,可显著降低对金属块大小的要求。因而,改进此实验使“测力计示数在不同液体中有明显变化”的办法为：(1) 选择较大体积的物体;(2) 选择分度值更小的弹簧测力计。[7-9]

3.2 根据实验物体选择测量仪器

相比根据测量仪器选物体,反过来选择测量仪器要简单得多,物体给定就代表物体的系统误差几乎可忽略不计,因而只要根据既定方案的测量原理,使仪器能符合物体相关量的测量即可。

3.2.1 用电流表、电压表测电阻

3.2.2 探究电流与电压、电阻的关系

4 教学建议

通过上述分析可知,不进行误差分析的实验是盲目的,且实验结果是无法评定的。而根据误差分析进行实验设计,可以通过预先的误差估计提高实验设计效率,促进实验成功进行,使实验结果更具说服力,且可对结果和预期估计进行比较,检视实验结果的合理性,便于改进和创新实验。因此用误差分析指导实验的设计很有必要,同时也可通过此方式培养学生的科学思维和实验探究能力,使他们形成科学态度。[10]物理教师要认真学习误差理论,并在实践中积极应用,提高自己的实验素养,有效指导自己的实验教学。惟有教师的实验素养提高了,才能通过教学使学生的实验素养得以发展。