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1、2005年11月陕西教育学院学报Nov.2005第21卷第4期JournalofShaanxiInstituteofEducationVol.21No.4物理实验中的误差分析付敏江(陕西教育学院数理工程系,陕西西安710061)摘要:从测量方法与测量误差、测量仪器和条件的选择与测量误差以及数据处理三个方面,阐述了如何将误差分析贯穿于普通物理实验教学,以提高学生综合实验能力.关键词:物理实验;测量误差;数据处理;实验教学中图分类号:G642.421文献标识码:A文章编号:1008-598X(2005)04-0073-03误差分析与数据处理是普通物
2、理实验课程的重要内容,虽然实验讲义的绪论!中已作过系统讲授,但要学生很好地掌握这部分知识并用它来指导实验,还要通过各个实验中的具体贯彻并加强学生在这方面的训练才行.以下就如何将误差分析环节贯穿到普通物理实验的教学中,从几个方面谈一谈笔者的做法.1测量方法的选择与测量误差从事物理实验,总是要根据实验的原理和待测量的性质及其精度要求来确定测量方法,使用的测量方法不同,所得测量结果的误差也会不同,这一点需要学生在具体的实验中加以理解和充分认识.例如,在用单摆测定重力加速度!的实验中,要用秒表测摆的周期T.实验步骤要求测量50次摆动的总时间,然后再求T[2]的平均值,这是在被
3、测物理量能够简单重叠的条件下实现的放大法测量,可大大减少误差.在做这个实验时,有些学生认为,既然多次测量的平均值接近真值,那为什么不采取每一周期都施测,多次测量后取平均值的方法呢?为了解答学生的这一疑问,要求他们进行两种方法的测量误差分析,分别列出相对误差的表达式进行比较.结果发现,使用学生建议的方法时,秒T0.2表测一个周期T约2s,假如每次带来的测量误差为0.2s,则相对误差为==10%.而用放大法测量50个周期时其相T2T0.2对误差为==0.2%,可减小为前一种方法的1/50,测量精度提高很多,充分体现其优点.同学们都说,原来被认50T50∀2为简单的周期测
4、量看起来也不容易,真是用不同的方法结果大不一样啊!在接下来的声速测量实验中,对应同一频率要测出半波长,不少学生提出用放大法并积极付诸实践,效果很好.同学们的实验兴趣提高了,对于应从误差角度来选择测量方法!这一点有了初步认识.物理量的测量要借助仪器或装置,而仪器误差是客观存在的,但许多学生往往从仪器的新旧、外表做工等方面来判断仪器对测量结果带来的误差影响,对于象天平、多位数字显示等看上去属精密仪器的系统误差则常常不予考虑.遇到这类情况,教师应明确告诉学生,任何仪器的制造或装配过程都难免有缺陷,即使在正确使用的前提下这种缺陷也会带来误差.重要的是学会如何定性和定量分析进而掌
5、握和控制误差;如何采用适当的测量方法以尽量减小或消除误差影响.比如在称衡物体质量时告诉学生,由于加工工艺等原因,天平两臂很难做到绝对等长,称衡时难免产生系统误差,这时采用交换法即可消除这一误差###左物右码!称一次,再换左码右物!称一次,称衡结果为两次的几何平均值,让学生体会反向操作!可以使测量更[2]准确.在霍耳效应实验!中,使用了高精度数字毫伏表来测量霍耳电压,是否测量结果就一定准确呢?其实不然,因为毫伏表所显示的数值除了霍耳电压以外还包括其他附加电动势,必须加以修正.通常,采用将工作电流反向、磁场反向的方法使副效应抵消或减少.这时向学生说明这种反向操作!也是一种交
6、换法,测量值取每次反向测量结果的算术平均值,即可有效地减少附加误差的影响.通过实际操作,学生理解了误差存在于一切实验和测量过程中,而选择适当的测量方法对于减少测量误差是非常重要的!.2测量仪器和条件的选择与测量误差普通物理实验课的主要任务是对学生进行科学实验入门的基础训练,而测量仪器和测量条件的选择是进行科学实验的收稿日期:2005-04-20作者简介:付敏江(1953-),女,陕西富平人,陕西教育学院数理工程系物理实验室高级实验师。73关键步骤,也是从事科学研究的重要基本功,因此在教学中应注重培养学生这方面的能力,具体地说,应使他们逐步学会按照测量任务的需要和实际
7、可能对使用的仪器、仪表或器具作出合理选择,还要学会确定测量条件,知道使用什么规格的仪器或在什么条件下进行测量所引起的误差最小.比如第一个实验测定圆柱体的密度!,在学生掌握了固体密度测量的基本方法之后,教师可进一步提出问题:已知待测圆柱体的直径d约为1.2cm,高度h约为3.6cm,质量m约为36g,如果要求圆柱体密度的相对误差∃0.5%,那么上述各量的测量应选用什么仪器?我们要求学生按照选择仪器的一般步骤进行:首先根据测量原理,表示间接测量量与直接测量量m4mdh之间的关系即==2;其次,按误差传递公式确定的误差与其他
