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直接测量量的有效数字
我们把测量中能够直接读出的数字加上有可能估读出的数字统称为测量结果的有效数字,前者称为可靠数字,后者称为不可靠数字。这里所说的有可能估读出的数字是指例如刻度尺、温度计、指针式电表等直读式的仪器,可以而且要求估读的最小刻度以下的一位数字。 有效数字的位数与十进制单位的变换无关,即与小数点的位置无关,用以表示小数点位置的“0”不是有效数字;同样,由于单位变换在由测量所得到的数字后面的0也不是有效数字。例如,某次测量长度的结果是750厘米,有效数字是3位,,或75000微米,仍然只有3位有效数字。为了避免混乱,物理实验和数据处理中采用科学计数法,就是任何数值都只写出有效数字,而数量级则用10的幂数表示,×10-2米或750×104微米。
间接测量量的有效数字
 
       由于间接测量量是直接测量的一些量通过一定的公式运算而得到的,因此需要知道有效数字的运算规则,这样可以避免一些无用的繁琐计算,而且不致于由于计算而引进误差,影响到最后的结果。
运算后判断有效数字位数的一般规则:
(1)实验后计算绝对误差时,用绝对误差决定最后结果的有效数字。
误差一般只取一位有效数字,间接测量量的有效数字是到误差所在的位数为止。
(2)实验后不计算绝对误差时,测量结果有效数字位数可按下述规则粗略确定。
①加减运算后的有效数字
加减运算后结果的绝对误差等于参加运算的各数值误差之和,因此运算后的误差大于参与运算各数中任何一个数值的误差,这样加减运算后小数点后有效数字的位数,可估计为在参加运算的各数中,与小数点后位数最少的相同。
②乘除运算后的有效数字
乘除运算结果的相对误差等于参加运算各数值的相对误差之和,因此运算结果的相对误差大于参加运算各数值中任何一个的相对误差。一般说来有效数字位数越少,其相对误差就越大,所以乘除运算后的有效数字位数,可估计为与运算中有效数字位数最少的相同。
 
系统误差
 
                                      
系统误差的来源有以下方面:
(1)仪器误差 这是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的。如仪器的零点不准,仪器未调整好,外界环境(光线、温度、湿度、电磁场等)对测量仪器的影响等所产生的误差。
(2)理论误差(方法误差) 这是由于测量所依据的理论公式本身的近似性,或实验条件不能达到理论公式所规定的要求,或者是实验方法本身不完善所带来的误差。例如热学实验中没有考虑散热所导致的热量损失,伏安法测电阻时没有考虑电表内阻对实验结果的影响等。
(3)个人误差 这是由于观测者个人感官和运动器官的反应或****惯不同而产生的误差,它因人而异,并与观测者当时的精神状态有关。
系统误差有些是定值的,如仪器的零点不准,有些是积累性的,如用受热膨胀的钢质米尺测量时,读数就小于其真实长度。系统误差的出现一般都有较明确的原因,但需要对具体问题进行认真细致的分析,要设法找出其主要原因,然后采取措施消除它的影响或者是对测量结果进行修正。
需要注意的是,系统误差总是使测量结果偏向一边,或者偏大,或者偏小,因此,多次测量求平均值并不能消除系统误差。
偶然误差(随机误差)
 
在测量时,即使排除了产生系统误差的因素(实际上不可能也没有必要绝对排除),进行了精心的观测,仍然会存在一定的误差,这类由于偶然的或不确定的因素所造成的每一次测量值的无规则变化(涨落),叫做偶然误差,或随机误差。产生偶然误差的原因很多,例如观测时目的物对得不准,读数不准确,周围环境的偶然变化或电源电压的波动等因素的影响,难以确定某个因素产生的具体影响的大小。
   偶然误差的存在使每次测量值偏大或偏小是不定的,但它并非毫无规律,它的规律性是在大量观测数据中才表现出来的统计规律。在多数物理实验中,偶然误差表现出如下的规律性:①绝对值相等的正的和负的误差出现机会相同;②绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的机会多;③误差不会超出一定的范围。
设n次测量值N1、N2、......、Nn的误差为ε1、ε2、......、ε3,真值为N′,则
(N1-N′)+(N2-N′)+......+(Nn-N′)=ε1+ε2+......εn。
将上式展开整理后,等式两边分别除以n,得出1/n(n1+n2++......+Nn)-N′=1/n(ε1+ε2+......εn)。
   上式表明,平均值的误差等于各测量值误差的平均。由于测量值的误差有正有负,相加后可抵消一部分,而且n越大相抵消的机会越多。因此我们可推断出以下结论:
   ①在确定的测量条件下,减小偶然误差的办法是增加测量次数。
   ②在消除数据中的系统误差之后,算术平均值的误差将由于测量次数的增加而减小,平均值即趋近于真值。因此可取算术平均值作为直接测量的最接近的真值(最佳值)。
   高中阶段的学生实验中,教师安排实验时要注意减小系统误差的影响,对于存在有零点值的仪器,要指导学生进行校准或者对结果进行修正。但是中学阶段的实验是学****性质的实验,不必在提高测量的精确度方面下过多的功夫,一般的实验误差能控制在5%以内就行了,少数实验,例如热学实验、测定万有引力的实验,误差还会更大一些。同一条件下的实际测量次数也不必过多,学生实验中多数只要求测4-6次。
测量误差
 
                                      
在物理实验中,对于待测物理量的测量分为两类:直接测量和间接测量。直接测量可以用测量仪器和待测量进行比较,直接得到结果。例如用刻度尺、游标卡尺、停表、天平、直流电流表等进行的测量就是直接测量。间接测量则是不能直接用测量仪器把待测量的大小测出来,而要依据待测量与某几个直接测量量的函数关系求出待测量。例如重力加速度,可通过测量单摆的摆长和周期,再由单摆周期公式算出,这种类型的测量就是间接测量。每一个物理量都是客观存在,在一定的条件下具有不依人的意志为转移的客观大小,人们将它称为该物理量的真值。进行测量是想要获得待测量的真值。然而测量要依据一定的理论或方法,使用一定的仪器,在一定的环境中,由具体的人进行。由于实验理论上存在着近似性,方法上难以很完善,实验仪器灵敏度和分辨能力有局限性,周围环境不稳定等因素的影响,待测量的真值是不可能测得的,测量结果和被测量真值之间总会存在或多或少的偏差,这种偏差就叫做测量值的误差。
设被测量的真值为N′,测得值为N,则测量误差Δ′N为Δ′N=N-N′。
误差存在于一切测量之中,而且贯穿测量过程的始终。每使用一种仪器,进行一次测量,都会产生误差,没有误差的测量结果是不存在的。在误差必然存在的情况下,测量的任务是:
(1)设法将测得值中的误差减至最小。
(2)求出在测量的条件下,被测量的最近真值(最佳值)。
(3)估计最近真值的可靠程度(接近真值的程度)。因此要研究误差的性质和来源,以便采取适当的措施,达到最好的结果。
 
物理课堂实验
 
                                      
课堂实验是学生实验的主体部分,要搞好这一环节,应抓好这样几项工作:
(1)实验前的检查学生在实验前必须检查一下自己的实验桌上的全部仪器和器材,是否都齐备、完好。有问题可找教师,不要乱拿其他组的仪器。
2)安装和调试实验仪器许多实验在进行之前,都要安装和调试仪器,这是一种基本训练。一定要让学生按照规范要求进行安装和调试,教师不要把仪器或线路事先都安装好、调试好。
下面列举一些安装和调试中的注意事项。
①安装仪器和线路时,要尽量做到便于操作、观察和读数。
②危险和易倒易碎的仪器(如酒精灯、支架、电表、玻璃器皿等)不要放在桌子边缘和容易碰到的地方,以确保安全。
③灵敏度高的仪器(如学生天平等)有制动器,不测量时,应使仪器处于制动状态。
④有小包装盒的仪器,如停表、温度计、砝码、电表等,用完以后要放入盒中。
⑤拧动仪器上的旋钮或转动部分时,不要用力过猛。
⑥有零点的仪器(如测力计、电表等),要注意必要时调零。
⑦透镜、三棱镜等光学元件,不准用手摸或用布擦其光学表面,砝码要用镊子夹取。
⑧使用电学仪器要注意电源电压、极性,并需经教师允许后才能接通电源。中学实验中所用电压低,但也要让学生养成严格操作,不用手触摸电路中的裸露部分的****惯。
⑨电路中的导线要用整根完好的绝缘导线,并且在接线柱上连接,不准将两根导线直接扭接在一起。
(3)观察和测量按照已经确定的实验步骤和实验内容,一步一步地进行实验。观察和测量时同一小组的同学可有所分工,但都要动手动脑。观察和读数时注意力要集中,姿势要正确。
如发现实验中有异常现象,如电路中某一部分过热、甚至产生焦臭味时,应迅速断开电源并报告老师。
实验结束后,应将所有的实验仪器和器材清理好。保持清洁整齐,恢复到实验前的状态。如有损坏或丢失,要及时报告老师。
(4)记录实验记录是实验过程中的原始资料,一定要认真记录,不要随便写在纸上,因为如果原始记录零乱,不仅容易丢失,而且重新整理数据时容易产生错误。
实验数据一般是填写在预先设计好的表格中,并注明单位。可以鼓励学生及时记下实验的简单过程和观测到的现象,以便讨论。
有些实验要记下实验时的室温、湿度和气压。
要注意不要让有的学生每次实验时只当记录员,要求人人有动手的机会,也有记录的机会。
测量结束后要进行必要的数据处理,多次测量时还要计算算术平均值。这种数据整理工作,应尽可能在实验课上完成,如果发现数据有问题,还可以进行补充测量。因此在计算结束之后再收拾仪器比较好。
在学生进行实验操作时,教师应在实验室巡视,个别学生在操作或对仪器的使用上有错误应及时作出指导;对于全班存在的倾向性问题,应向全班同学进行纠正。这样,可以使学生在实验过程中能正确进行操作,减少误差,防止不应有的事故。