1、误差理论在初中物理实验中的运用皈大中学 朱伟生物理学是一门以实验为基础的科学，中学物理教学必须以实验为基础，作为一名初中物理教师，应具备一定的实验教学素质，其中包括实验技能方面的素质，本文仅就应用误差理论指导初中物理实验教学的技能进行研究。物理实验除观察现象外，还需要使用量具仪表，根据一定的实验原理和方法进行物理量的测量，在测量中就会产生偶然误差和系统误差，误差是不可避免的，这是物理实验的特点，因此，要提高实验的效果，就需要认真分析产生误差的原因，寻求减小误差的途径和方法。尽管初中物理实验都比较简单，精确度要求也不高，并且课本中只给出所用器材的名称，没有给出器材的规格，但是物理教师运用误差理论
2、可以解决实验教学中的许多问题，如所测物理量中哪些量的误差对实验结果的误差影响较大，影响的程度如何，怎样配置器材控制实验条件可以减小误差，从而可以掌握实验成败的关键和所测结果的取值范围等，可以说这是中学物理教师必须具备的素质。下面以初中物理教材中的几个学生实验为例，具体做一说明。一、测定物质的密度单位体积某种物质的质量叫该物质的密度，测定物质的密度，实际上是测量物体的质量m和该物体的体积,目前初中教材是采用天平和量筒来测定物质的密度，我们以测定固体物质铁的密度为例。设所用的天平感量为50mg(0.05g)，量筒的最小刻度为2cm3若某次测量的结果是m=179.40g，V=23.1cm3，课本或物
3、理手册中已给出铁的密度是7.8103kg/m3（或7.8g/cm3），那么我们测得的结果是不是正确，可以用误差理论来进行分析。质量m是直接测量量，其中m为天平的感量，体积V也是直接测量量，若最初倒入量筒里水的液面与某一刻度对齐，其中I-为量筒最小分度的一半，根据密度的计算公式和偶然误差的计算方法，间接测量量 的最大相对误差为最大绝对误差=4.5%=0.35g/cm3。则=7.770.35g/cm3。即测量结果的取值范围为7.42 8.12，由此可见，用我们所选的器材规格，测量结果是7.77g/cm3是允许的。从上述的分析和计算可以看出，在所用的两样器材中，天平的感量较小，对结果的误差的影响也较
4、小，误差主要产生在量筒上，因此减小误差的途径是：1选用更精密的量筒；2所选铁块的体积适当的大些。教师在准备实验，配置器材时，应同时考虑对测量误差的要求.例如，现有感量为0.5g，称量为500g的托盘天平和最小刻度为1cm3，容积为100cm3的量筒，要求测量结果的最大相对误差不超过6%（一般中学所用器材的精密度都不太高，所以确定的误差范围可以适当大些）。把这个相对误差做大体的分配：12.5cm3铁块的质量约为7.812.5=97.5g，小于天平的称量，且满足大于25g的条件。二、研究物体浮在液面上的条件初中教材是利用装沙子的试管做为浮在液面上的物体，研究它受到的浮力跟它的重力的关系。试管受到的
5、浮力是利用量筒测出它排开水的体积，根据公式F浮=水V排 g算出来的，试管连同沙子的重力是利用天平测出它的质量，根据公式G=mg算出来的，最后用比较的方法得出物体浮在液面上的条件。本实验要验证的关系式是F浮=G= 水 V排g=mg，m表示试管和其中沙子的质量，试管确定后，m的变化取决于每次装沙子的多少，V排表示试管排开水的体积。从关系式中得出m=水V排，根据误差的计算方法，从式中看出减小误差的途径是：减小m和V；增大m和V排，天平的感量一般很小，所以对天平的选择不必过于追求，量筒的最小分度值有多种，应尽量选小一些的，V排直接受m的影响，同时受量筒的制约，是不能随意增大的，下面举例说明：选100c
6、m3，最小分度为1cm3的量筒，内径约为3cm，100cm3的刻线到筒底的长度约15cm。选感量为0.5g的天平；选8150mm的试管，其质量约为21g。设试管浸入水中的部分长14cm，试管能浮在液面的条件是水V排g=mg=(m管+m沙)g，得m=m管+m沙= 水V排= 水R2h 35g。m沙=35-21=14g，即试管中最多可装14g的沙子。若向试管中放入5g沙子，测量结果的最大相对误差根据上述分析，如果分三次将14g沙子装入试管中，第一次可以略装多一点。如果选用的试管规格同上，但壁薄一些，因此质量少一些，那么每次加入的沙子的量可以适当多一些，对结果的误差影响不大，但每次加入沙子后，试管浸入
7、水中的体积变化较大，现象更为明显，效果好一些。三、测量物质的比热单位质量的某种物质，温度升高（或降低）1吸收（或放出）的热量，叫这种物质的比热容，简称比热。初中教材中是采用混合法测比热的，它的原理是使低温系统吸收的热量等于高温系统放出的热量，量热器能有效地克服传导、对流、辐射三种传热方式，是一个接近于孤立的系统，因此使高温系统和低温系统在量热器中进行热传递，能最大限度的减少热量的损失。限于初中要求，吸热的物体只是量热器内筒中的水，放热的物体是加热到一定温度的待测金属，根据热量的计算公式有：Q放=c待m1(t1-t)，Q吸=c水m2(t-t2)。式中c待，c水分别表示待测物质的比热和水的比热，m
8、1，m2分别表示待测物质的质量和水的质量。t1和t2分别表示待测物质的初温和水的初温（t2一般是室温），t为经过热传递达到平衡时待测物和水的共同温度。根据热平衡方程Q放=Q吸，得由误差的计算方法可得测量结果的偶然误差的最大相对误差为,其中m为天平的感量，t为温度计最小分度的一半。以测铜的比热为例，设用感量为0.5g的托盘天平，用最小刻度为1的酒精温度计，测得m1=100.0g、m2=88.0g，t1=100，t2=15，t=23。在温度计的规格已确定的条件下，减小误差的途径是增大(t-t2)的值，即使水的初温与平衡温度间的差别大些，要增大这个温差，具体的方法是使水的量适当少些，而铜块的质量适当大些，但必须使铜块全部浸没在水中。以上分析的是减小偶然误差的途径，下面分析减小系统误差的途径。根据实验原理和实验方法，系统误差主要产生在热量的散失上，造成热量损失的主要原因有：1金属块移入量热器小筒需要时间，为了减少这段时间中的热量损失，移入动作要快。2量热器不是严格的孤立系统，为了减少量热器的热量损失，两个圆筒不能接触，盖子要盖严。3混合温度高于室温，为了减少这方面造成的热量损失，可以设法使水的初温低于室温 35，而使平衡温度高于室温 35。这样，在混合过程中系统从周围环境吸热和放热大致相等，彼此抵消。
