物理实验误差分析一、实验误差的产生
误差是客观存在的,但误差有大与小之别,我们只有知道误差的产生、变大或减小的原因,才能在实验中尽可能地减小误差。从误差产生的来源看,误差可分系统误差和偶然误差。
例1.弹簧测力计测量时的误差分析
1.偶然误差
弹簧测力计测量读数时,经常出现有时读数偏大,有时读数又可能偏小,每次的读数一般不等,这就是测量中存在的偶然误差。
2.系统误差
首先,从测力计的设计上看,在制作刻度时,都是按向上拉设计的,此时弹簧受自重而伸长。因此向上拉使用时,弹簧的自重对测量没有影响,此时误差最小。当我们水平使用时,弹簧的自身重力竖直向下,而弹簧水平放置,此时弹簧自重不会使弹簧长度发生变化。与竖直向上使用对比,弹簧长度略短,指针没有指在零刻度线上。这时,使用误差增大,测量值略小于真实值(但由于变化不大可以忽略不计)。当我们竖直向下用力使用时,弹簧由于自身重力影响而变短,与竖直向上使用相比指针偏离零刻度底线较远,这时使用误差较大,测量值比真实值小得多。我们在使用时必须进行零点矫正。
物理实验误差分析二、实验误差的减小
在对误差进行分析研究确定其产生来源和所属类型后,可采用适当的方法对系统误差加以限制或减小,使测得值中的误差得到抵消,从而消弱或减小误差对结果的影响。
1.偶然误差的控制
(1)测量中读数误差的控制
测量仪器的读数规则是:测量误差出现在哪一位,读数就应读到哪一位,一般可根据测量仪器的最小分度来确定读数误差出现的位置。
(2)数据处理过程中测量误差的控制
数据处理问题的各个方面都是与测量误差问题密切相关的,总的原则是:数据处理不能引进“误差”的精确度,但也不能因为处理不当而引进“误差”来,要充分利用和合理取舍所得数据,得出最好的结果来,数据处理过程中应注意以下几点。
①在运算中要适当保留有效数字。
②多次测量后的数据要参照一定的判断决定是否全部数据都保留。
③用作图法处理数据时,要注意图纸大小的选择,等等。
2.系统误差的控制
(1)通过更科学的实验设计来减小系统误差。
不科学的或者不恰当的实验设计会导致较大的难以忽略的系统误差。反之,一个科学的实验设计则能有效减少系统误差。
(2)实验操作进程中减小测量误差。
①仪器的调整和调节。仪器要调整达到规定的设计技术指标,如光具座、天平和电表的灵敏度等。计测仪表要定期校准到它的偏离对实验结果所造成的影响可以忽略不计。
②实验条件的保证。必须保证实验的理论设计和仪器装置所要求的实验条件。
③仪表的选用。如选用大量程的档去测量小量值,仪表的偏转只占整个量程中的一小部分,这就会导致相对误差变大或者是使用这种等级的仪表是浪费的。
④测量安排。要从测量误差的角度来考虑。有的关键量要进行多次测量,还要想方设法从各个角度去把它测准;可以多测一些容易测准的量,消去一个或几个不易测准的量。有时,在测量步骤的安排上作适当的考虑也可以减小误差,如有的量在实验过程中是随机起伏的,有的量则是定向漂移的,都可以在测量中作出一定的安排来减小误差。
(3)通过测量后的理论计算提供修正值来减小实验系统误差。
有些实验在现有实验条件下已很难有大的改进,那么这类实验就可以通过理论计算提供修正值从而达到减少系统误差的目的。
例2.伏安法测电阻系统误差的减小
伏安法测电阻中因电流表分压和电压表分流产生的系统误差可以通过电路的设计来减小。
误差是物理实验中不可或缺的重要内容,不少重要的发现均是通过对误差来源和大小仔细分析后得来的。限于初中生的能力,我们不应要求他们掌握更难的误差处理,但让学生对实验误差及其分析有初步的了解,不仅可以使学生对实验有更深刻的认识,而且可以促进学生的学习思考,以对实验误差进行有效的控制,培养基本实验素养。