谈谈高中物理实验的误差

邹学洪

摘 要： 高中物理实验，不仅要知道实验中的原理，更要清楚实验中造成实验成功与否的关键和影响实验的因素有哪些，只有达到这样的效果，高中物理实验才能体现基础性和创新性，才能更好地服务于高中教学，才能更好地提高学生思维能力。

关键词： 系统误差 偶然误差 实验仪器 实验原理

高中物理实验，不仅要求能完成课本中已有的基础实验，更要能够根据已有基础理论设计和创造新的实验方法，以达到预期的创新型实验效果，因此高中物理实验，不仅要知道实验中的原理，更要清楚实验中影响实验成功与否的关键和影响实验的因素有哪些，只有达到这样的效果，高中物理实验才能体现基础性和创新性，才能更好地服务于高中教学，才能更好地提高学生思维能力。每个实验都有预期的目的，要达到这些目的，无论是定性的演示实验还是定量的测量实验，都无法避免其中误差，这成为实验中最关键的一个环节。

根据误差产生的原因可分为系统误差和偶然误差两种。系统误差是由于实验原理不够完善、实验仪器不够精确或实验方法粗略而产生的误差，其特点是多次做同一实验时，误差总是同样偏大或偏小，不会出现这几次偏大，另几次偏小的现象。系统误差不能用多次测量求平均值的方法消除或减小，只能通过改善实验原理；提高实验仪器的测量精确度；设计更精巧的实验方法以达到减小系统误差。而偶然误差是由于各种偶然因素对实验者和实验仪器或被测物理量的影响而产生。其特点是多次重复做同一实验时，误差时大时小，且偏大偏小的机会相同。减小这种误差的办法是进行多次测量，取其平均值。在实验过程中，我们不仅要考虑系统误差和偶然误差，而且要同时考虑绝对误差和相对误差。绝对误差是测量值与真实值之差，即绝对误差=|测量值-真实值|。它反映了测量值偏离真实值的大小。而相对误差反映了实验结果的精确程度，相对误差等于绝对误差与真实值之比，常用百分数表示，即相对误差=×100%。对于实验数据的评价，必须考虑相对误差，绝对误差大者，其相对误差不一定大。

从实验效果上看，不一定误差越小效果越好，有些误差大的演示实验同样可以取得很好的效果。在平抛运动的定义时就没有必要非得是严格的平抛运动，可以将一物体水平扔出以视为平抛运动，这样的演示实验更能让学生接受，同时能让学生体会到物理规律就在身边，有更强的亲切感，效果也会更好。其实还有很多演示实验，尤其是在物理量的定义及在部分定性规律研究时，这些误差较大的演示实验收到的效果往往不低于非常精确的实验。

从实验要达到的精度和实验要达到的目的看，误差往往与实验者所要达到的实验目的有关，对于不同的目的，即使是同一个实验也是有区别的。比如在测量金属丝的电阻率时，需要测定金属丝的长度和直径，对于长度的测量和直径的测量中，在要求精度不是特别高时候，长度可以用刻度尺测量，直径可以用游标卡尺来测量；如果要求精度高一些，长度就需要用游标卡尺来测量，而直径则需要用螺旋测微器测量，而这样的实验设定，实验者要从实验中达到的目的往往不一定就是实验本身，很有可能还有一些更重要的目的，就说上面的实验，如果为了测量金属丝的电阻率，两种测量都可以，只是精度不一样，但如果实验设定的目的还有练习使用游标卡尺、螺旋测微器，则不论上述的哪种测量数据都不会影响实验者的实验目的。

从实验测量仪器来看，在实验原理基础上选择合适的仪器，这也是有误差的，对于不同的测量仪器其自身的仪器精度对实验测量有一定影响，但只要不影响测量的最终结果，仪器中所带来的系统误差我们都是可以接受的。比如在长度测量的时候，我们可以用刻度尺，也可以用游标卡尺，甚至是螺旋测微器。在测量操场宽度时我们需要米尺；在测量课本长宽时，我们又可以使用毫米刻度尺；在测量笔帽内径时，可以用游标卡尺；在测量金属丝的直径时，我们则需要使用螺旋测微器。无论是测量哪一种长度，仪器的选择决定了实验的精度，同时很大程度上决定了实验误差。可以看出，对不同的实验器材测量出的数据，已经不可避免地有一定的误差，这是实验仪器自身造成的系统误差，只要有实验器材测量就一定有实验仪器的误差，只有当测量的数据不影响到实验目的时，这种测量才是有效的，也因为这个原因，在我们的实验中并不是所有实验都要用精度最高的实验器材，而是最容易操作、最容易找到的实验器材。

从实验原理来看，有很多实验原理就是有误差的。在伏安法测电阻的实验中，有电流表内接法和外接法的区别。利用内接法无论怎么测量，测量的结果都会比真实值要大，利用外接法测量则测量值比真实值小。这是由于内接法中电流表的电阻影响了测量结果，也可以认为是电流表的分压造成了测量的误差，而对于外接法测量电阻的实验，则是由于电压表的分流造成了测量的误差。这些误差在选择的实验原理中本身就有，不可能消除，如果要提高测量的精度，则需要换用更精密的实验仪器，或者更换实验原理。对于这样造成的误差在我们选择实验原理的时候是需要考虑的，只要原理能够符合我们的逻辑思维，同时误差在可控范围内，实验还是非常理想的。

从实验者角度看，即使是同一个实验，不同的实验操作者测量的结果也不是完全相同的。对于我们在实验操作过程中对数据的采取和使用，不同的实验者往往有所不同，造成了同一个实验的结果略微有所不同，但我们往往会得到相同的实验结论，只要实验最后的结论在误差范围内，我们都可以认为是正确的。

可以看出，在物理实验中的各种因素都会造成不同程度的误差，而实验在帮助我们实现实验目标的过程中，有效合理地处理实验中的误差无疑更有利于我们认识实验原理，更有助于我们对实验有更深层次的认识，也只有处理好实验中的误差，才能更有效地做好实验，达到预期目的。