在物理实验中有效数字的处理方法

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  有效数字是物理实验中的一个重要问题。从仪器上读出的数值,通常都是尽可能估计到最小刻度的下一位,我们叫做估计值,仪器上直接读出的确切值和最后一位估计值纪录下来被称为有效数字。有效数字问题虽然不是难点,但却常因为被同学们忽视而造成失分。我们要注意实验中的有效数字问题,规范有效数字的取舍规则。
  1 测量过程中有效数字的读取
  在实验测量时,读取测量数值一定要在仪器的最小分刻度以下估读一位,如果当仪器的指针正对某刻度线时,要在刻度值后面多写一个或几个“0”。例如用毫米刻度尺测量物体的长度,图1的读数为21.5mm或2.15cm,这个21mm是从刻度尺上读出的确切数值,0.5mm是估计数值,这里共是三位有效数字。图2的读数为21.0mm或210cm,后面的这个“0”往往被忽略,甚至有人认为这个“0”没有用。殊不知这位估计数字在物理实验中近似的反映了这一位数值的大小,同时也指出了前一位数值的可靠性,则这个“0”也是有效数字;它还反映出这个测量仪器的精确度。同理图3中的读数应该是30.0mm或3.00cm。
  


  用仪器直接测量的数值都有一定的误差,不可能绝对准确。在每次测量之前要了解仪器的最小分刻度是多少,根据具体情况确定所需要的精确值,或最小能够分辨的数位。测量过程中每次读取的数据要尽量相同,不能时多时少。有的仪器是数字式的,直接在仪表上读取数值,但我们一般还是认为最后一位数字是估计值,如数字电表等。
  2 计算过程中有效数字的处理
  实验数据有的是通过间接测量的,直接测量的数据一般是三四位,再通过计算处理往往有七八位(特别是现在一般用计算器计算),有的同学以为位数越多,其结果的精确度就越高。但这实际上不符合有效数字近似计算的要求,更加模糊了测量的精确度不是以结果数据的位数多少来确定的。有效数字位数的多少决定于被测对象的大小,测量仪器的精密度,测量条件的好坏以及所采用的测量方法。实验中测量的精确度是指测量得到的结果与真实值符合的程度,它反映系统误差的大小。因此实验过程中应该设法消除或减小系统误差来提高实验的精确度。
  在数据计算过程中,有的同学对运算规则不熟悉,例如加减是绝对误差的传递,乘除是相对误差的传递体会不深,不用四舍五入的法则取整,因此在计算过程中做了许多无用功,自以为位数越多越精确,而实验误差不以有效数字位数多少为准,一个数据保留过多的位数不但没有意义,而且会使别人过高地估计实验的精确度。
  计算出的数据结果在书写时还要注意,有效数字的位数一定要与误差所在位对齐。如实验测得电流的大小为I=1.237A,误差为0.05A,则结果应该写成I=1.24±005A,而不能写成I=1.237±0.05A。
  在计算过程中,如果给出各个量的测量误差,就应该先算总误差,然后用误差来决定最后结果有效数字的位数。一般对结果的各个数据先多保留一位,而在有效数字位数确定后,多余的位数按四舍五入的规则处理。
  3 常数和函数有效数字的取位
  间接测量时,在计算过程中还要遇到常数和函数的取值问题,如π=3.14159265……,sin20°=0.342014……等,它们应取多少位数进行计算。取得的位数过多和过少都不恰当,一般的取位原则是:由测量值的位数来决定。即测量值的有效数字取的多少位,常数和函数就取多少位。
  例如,要测量一个圆柱体的体积,测得其高为h=945cm,底面直径为d=5.24cm,由圆柱体的体积公式有:
  V=hS=1/4πhd2=1/4×3.14×9.45×5.24×5.24=203.69(cm3)
  这里的π取3.14,与测量值的位数相同。
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