高中物理实验数据处理中误差理论的应用研究

黄军荣

（福建省光泽县第二中学）

摘 要：由于实验环境的难以控制以及实践操作的些许偏差，高中物理实验数据往往繁杂多变且存在着一定的误差，但却不是所有的误差都可归结到实验条件上。因此，如何正确处理实验数据，合理使用误差理论便成为所有高中物理教师的重要教学内容。主要分析了误差理论的应用在高中物理实验数据中的重要性，阐述了误差理论的具体应用，最后总结了误差理论带给物理实验的作用，旨在加强误差理论在物理实验数据中的应用，促进学生对物理的真正认识和理解。

关键词：高中物理实验；数据处理；误差理论

高中物理是一门理论与实验相结合的学科。学生通过学习理论，在掌握基础知识的同时，可培养严谨的逻辑思维。学生通过联系实验，可将教材内容转化为实践，从而加深对理论知识的认识，达到学与做相结合的效果。但是在绝大部分的高中物理实验当中，由于实验条件的限制与学生本身实验操作不当，所得出的实验数据往往存在较大的误差。在数据处理中，学生很容易发现所得出的结论与所学的理论知识不符，从而产生极大的困惑，甚至对自己的科学探索信念产生影响。面对这种情况，教师务必适时将“误差理论”应用于高中物理实验数据处理中，并让学生掌握误差理论，以正确认识自己所得出的实验数据，正确对待科学。

一、误差理论应用的重要性

首先，高中物理实验中的实验现象大多在生活中都有实际意义，是真实存在于现实生活中的，但是现实生活中的不稳定因素过多，要获得正确的实验理论，仍然需要经过一些严谨的实验才能够完成验证。同时为了确保实验的正确性，通常会采用大量的数据来证明，数据的可靠性必须达到一定的标准。然而在实验过程中，由于一些不确定因素的影响，常常会使实验的数据产生误差，这种误差是不可避免的，但是对实验又有一定的影响。为了让实验的准确性更高，必须在实验原理没问题的情况下，科学地使用误差理论的原理来解决这个问题。在物理实验中，误差的存在有其必然性，也有其偶然性，如何解决偶然性，从而得到相对正确的理论，便需要实验者正确分析误差，因此对误差的分析也是实验的一个重要环节。

其次，误差理论作为高中考试的必考题目和重点题目，在物理实验数据处理中有着重要作用。误差理论和实验数据处理属于考试高频考点，但是实验数据处理相对而言不容易被忽视，毕竟在课本中它是实实在在存在的理论知识，因此教师对这方面的关注也更多，在平时的授课中强调的程度也比误差理论更大。而误差理论往往容易被忽略，教师在讲解相关理论知识和题目时，对误差理论知识一笔带过，学生掌握得也不够透彻，处于一个似懂非懂的状态。因此，当实验过程中出现误差时，学生容易将误差归结到偶然性的误差和系统的误差上，没有深入研究和探索实验真正存在的问题，对学生学习物理实验数据处理并没有帮助，甚至会对实验的过程和结果产生一些消极的影响，直接影响到学生物理实验的正确性。另外，高中物理学习阶段，学生对误差的理解停留在“误差的存在是正常的，不需要对误差进行研究和计算”上，这种思维的结果是学生对误差理论没有进行定量分析，从而将误差理论和实验数据理论分割开，实际上这二者是紧密联系的。

最后，误差理论实际上包含了许多物理实验数据的处理方法，不仅仅是对误差的分析，也有严密的法则方便对数据进行处理，主要被广泛应用于工业生产中。而在考虑和处理问题的方法中，误差理论也常常被用到，尤其是处理高级数据时，可见误差理论与物理实验数据处理有着不可分割的关系，合理、科学地运用误差理论，能够在高中物理实验数据处理中发挥重要的实质作用。

二、高中物理实验数据处理中误差理论的具体应用

1.力的平行四边形定则验证实验

力的平行四边形定则验证实验，在高中阶段是一项重要的基本实验，在实验过程中，需要获得的是：与两个共点分力作用效果相同的实际合力的测量数据，是否和这两个共点力共同作用构建的理论合力符合，两个共点力应用的原理是否符合平行四边形定则。这个实验涉及实验的测量数据和理论值之间的误差，在合理的误差范围内，两者的合力相同，那么印证了平行四边形的定则。这个实验需要的材料有木板、橡皮、白纸等，原理是如果两个作用力F1和F2的作用效果和一个力F的作用效果一样，那么力F就是F1和F2的合力。学生在进行实验的过程中，由于误差的存在，因此理论合力与实际合力很难完全相同，数值甚至可能相差甚远，部分学生会将其全部归结于量度用具的不精确或者是实验材料的不合适等。实际上，其中虽有这部分误差的存在，但是其误差影响并不大，出现大误差的最主要原因依然是学生实验操作的不当。此时，教师需要及时引导学生，观察实验过程中的小细节，争取将误差降到最低，确保实验的准确性，完成实验的验证过程。

经过研究分析，误差的来源可能有以下三个方面：（1）运用平行四边形的定则进行作图时，由于作图不准确产生的误差；（2）弹簧测力计没有调零；（3）在使用弹簧测力计时，弹簧外殼与纸张的摩擦以及弹簧与外壳的摩擦造成的误差。教师在教学中需带领学生详细检查前两者由于操作不当产生的误差，在操作误差消除后的误差则是可被允许存在的误差，学生通过自身操作，正确认识到误差的区别与正确理解误差理论，在以后的物理实验中均可获益良多。

2.探究匀变速直线运动的实验

实验中，匀变速直线运动涉及测量加速度的方法，加速度是一个极为抽象的概念，如果教师简单通过理论的教学，学生不能够将概念理解得很透彻。因此，教师可以通过直观的方式进行实验教学，如通过打点计时器和纸带，将加速度转化为较直观和可以进行测量的具体数值。在实验过程中，教师要引导学生在加速度实验设计中分析误差，选择合适的实验参数，从而减少误差。误差理论的应用在一定程度上能够培养学生对待实验严谨和细心的态度。教师在这个过程中，通过误差理论教学，提高学生分析问题和误差的能力。在匀变速直线运动实验中，小车引导纸带在轨道上做加速运动，穿过打点计时器会留下一连串的数据点。通过逐差法计算出小车运动的加速度如图

T是打点计数器的周期。为了让学生的数据处理更方便，这里一个周期为五个时间间隔，s1、s2、s3......是纸带上相邻点的距离，学生可以通过测量得出相邻距离。实验的误差主要有两个部分：（1）测量位移；（2）测量时间。学生通过降低纸带测量的误差，有效提高了小车加速度的准确性。

以上案例中，学生通过对误差来源的分析，尽力纠正人为误差，使所得的数据越来越接近理论数据，虽然仍有所差别，但已经是误差理论中可接受的范围。在此过程中，学生认识了位移和时间对实验结果的影响，同时由于可接受误差的存在，清楚地知道了位移和时间测量工具的不足之处，进一步明确了误差理论的含义，从而潜移默化地培养了严谨的理论逻辑和辩证的科学思想观，可谓一举多得。

综上所述，误差理论应该广泛应用于高中物理实验数据处理中，让实验的结果和过程更加合理化、科学化，准确性更高。教师通过带领学生找出误差来源，解决人为误差，认识不可逆误差，可使学生彻底明白误差理论知识的概念，从而增强学生分析物理实验数据的能力，提高学生处理数据的能力，在以后的相关实验中也能够以严谨的态度对待物理。

参考文献：

[1]贾玉宝.探讨误差理论在高中物理实验数据处理中的应用[J].高中数理化，2015（16）：45.

[2]方青松.培养高中生物理实验数据处理能力的研究[D].华南师范大学，2012.

编辑 高 琼