电学实验中如何有效地减少误差

徐声雄

【摘要】 本文针对学生在高三电学实验复习中存在的问题，提出在复习中要渗透误差思想，并从偶然和系统两方面讲述如何有效地减少误差。

【关键词】 电学实验 偶然误差 系统误差 减少

【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2018）03-164-02

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电学实验是高中物理的重要组成部分，也是每年各地高考的必考内容，同时其又是高三复习的一大难题。不少高三学生在电学实验复习过程中，总感觉电学实验题目考查知识点繁多，设问形式多样，题型可谓千变万化，有如在走迷宫。电学实验题目每一步都需要做出判断选择，如电流表、电压表、滑动变阻器等器材的选择，内外接、分压限流等接法的判断，根本找不到一条统一主线。

在传统的高三教学中，我们为了解决以上问题，教师会指导学生面对不同问题采用不同的处理方法：如当>时采用电流表内接法；当滑动变阻器最大阻值远小于待测电阻阻值時，一般采用分压式接法。这些方法在学生学习的初期能够取得一定的效果，但是，随着高三复习的不断深入，试题难度的不断增加，单纯依靠以上方法来解决问题将会越来越困难。其根本原因在于：学生不清楚其所用方法的来源，当遇到综合能力要求较高的问题时，便束手无策。

笔者认为，部分电学实验题目设计的来源，方法的应用，其实都是围绕 “如何有效地减少误差”这一主题展开。以下从两个方面介绍复习中如何渗透误差思想，以期让学生更深刻理解其所用物理方法由来，提升其处理实验问题的能力。

1. “多次测量”，“求平均值”减少偶然误差

1.1电路设计中增加可变电阻进行“多次测量”，为“求平均值”创造条件

偶然误差是由偶然因素造成的，可以通过多次测量求平均值来减少。只有在拥有多数据的前提下，用平均值法数据处理才的实现的可能。一般设计电路是通过可变电阻实现这种目的。

如图1伏安法测电阻通常用分压（甲）或限流（乙）控制电路，而不是直接测量（丙）。使用滑动变阻器，除了对电路起保护作用之外，还在于：要提供测量电路一个可变的电源，以实现多次测量。

电路设计要进行多次测量除了用到滑动变阻器之外，有时还用到电阻箱。如测电动势内电阻的实验方案有很多，以下是ABC三种方案均可测量，而学生分组实验是用C方案，而非AB.其原因在于用AB求解电动势内电阻与上述伏安法测电阻的丙图一样，数据太少，偶然误差太大。要实现多次测量，需要用到可变电阻，以获得不同的路端电压，C中滑动变阻器可以达到此目的。当然，电阻箱也具有此功能，那么也可将C换成D.又因为电阻箱相比于滑动变阻器还能知道电阻的具体数值，故通常测量方法有C、E、F.

1.2数据处理中多种方法平均值

以上无论是使用滑动变阻器还是电阻箱，都是为了得出多组数据，为求平均值创造条件。那么，如何进行求平均值，通常有计算法和图示法两种

如用下表数据求电动势及内电阻的大小的问题，数据处理有：

方法1 计算法求算术平均值

方法2：图示法

用图示法求解时，如果用两点确定一根直线的方法：先画出Cn2条直线，再求平均值，操作较繁琐。一般做法是尽量使曲线通过或靠近大多数观测点，并使观测点比较均匀地分布在曲线的两测。此种做法调节刻度尺方向的过程其实就在求平均值。

可见，无论是电路中滑动变阻的运用、电阻箱的介入，还是数据处理中算术平均值的求解、函数关系图像的描绘，都离不开一个主题：多次测量求平均值减少偶然误差。

2. 从分析误差来源以减少系统误差

产生系统误差的原因有很多，下面从方法和原理两方面讲述如何减少误差。

2.1分析误差的来源，选择合适的测量方法

在电学实验题有很多问题都要求学生做出选择，其中有一类（如伏安法测电阻电流表内外接选择）隐含着这样的要求“选择目的是要选择出系统误差较小的测量方法，以让测量尽可能准确”。学生如能分析出误差的来源，便能选择出合适测量方法，或对已有的实验方案做出改进。如下例。

某同学用伏安法测一节干电池的电动势E（约为15V）和内电阻r（约为1Ω），所给的其它器材有：

A.电压表V：0～3V （内阻约为3kΩ））

B.电流表A：0～06A （内阻约为5Ω）

C.变阻器R1：（20Ω，1A）

D.变阻器R2：（1000Ω，01A）

E.电键S和导线若干

①图3两个原理图______________测量更为合适。（I）

②变阻器应选用__________________________________________；（R1 ）

当选R2时，调节滑动变阻器的滑端，电压表示数几乎不变（示数基本等于E），因在变化范围太小，在数据处理上会出现较大的误差。原因在于内阻远小于外电阻，解决问题可以减少外阻（选R1）。另外电路选择上，II产生误差原因在于：电流表分压作用，导致路端电压测量存在误差，分压值至少约为路端电压的 =20%。I产生误差原因在于：电压表分流作用， 导致干路电流的测量存在误差，分流值最多约为干路电流的=0.8%。解决此问题的方法在于选择影响较小，即相对误差较小的方法I. 可见，虽然提问方式不同，基本要求却是相同的，都是在考查要选择误差较小的方法。要完成好此类问题需从根本分析误差来源。一旦清楚来源，学生所掌握的不单是这道题的答案，而是此类题共同解法。如上述问题，已清楚原因在于内阻远小于外电阻，解决问题除了可以从减少外阻（选R1），还可以增加内电阻，实验方法可以变成图4.

2.2分析误差的来源，对实验理论进行改进

系统误差不同于偶然误差， 它是人们可以意料到的， 在很多情况下， 开始测量前便可以给予消除或减小到可以忽略的程度。以上对于接法的选择，实际只是减小其带来的影响。要从根本解决问题，则需要在分析误差来源的基础上，对实验理论进行改进。如下图5，电流表内接法测电阻产生误差原因是电流表分压作用，而致使电压表测量值比真实值偏大。那么如果能测量出电流表的准确阻值，则能消除上述的影响。此时求RX表达式可以写成RX=-RA .对给出测量所用电表具体阻值问题的学习，不单可以对上述理论进行改进，而且还能通过迁移，为电压表、电流表当电阻使用；电压表，电流表改装、放大量程；多用电表原理等后续课程的学习提供坚实的理论基础。

实验能力是高考物理要考查的五大能力之一，高考物理实验题通常从目的、原理、过程、数据、误差等多个方面来考查。无论是从哪个方面，其题目设计都有其共性，即遵循实验的基本原则 ：安全、精确、可操作、少能耗。本文只是从有效减少误差，即从精确性原则指出实验复习的一次尝试。当然，也可以选择其它角度对实验进行知识整理，方法归纳。但无论选择何种角度，采用何种方法对实验进行复习，目的都是在复习中提升学生科学素养，培养学生的解决实际问题的能力。

[ 参 考 文 献 ]

[1]赖圣宝如何选择电学实验器材 [J]湖南中学物理 ，2009（10） ：39-40 .

[2]王莉关于高中物理实验误差的探究[J]物理教学探讨，2007（10）：58-60.