A Level 物理有效数字问题.doc

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A Level 物理有效数字问题 (by: Dr. Yu) 笔者:Dr. 喻麟佑,华南国际预科中心,学术副校长,美国亚利桑那大学物理学博士 一、前言: 很多教师都感觉得到,有效数字(significant figures, 或简写成 s.f.),无论是在剑桥(Cambridge CIE)或者是爱得思(Edexcel)的A Level 物理考试里面,总是令人有点担心的,尤其是剑桥的A Level 物理。笔者有鉴于此,特撰写此文,以减低种种不必要的误会或困扰,请各界多加指教。 为什么会有“有效数字”的需要呢?为什么比小数点几位数更重要呢?这个有效数字的真意,老师们如果切实领悟了,就会发觉其重要性与必要性。否则,虽然知道怎么按照规定来使用,但不明白它真正的用意,却还是不究竟的了。 二、有效数字的基本概念与含义 来描述有效数字的基本概念,就让笔者举一个最简单的例子来出发吧。我们用直尺来量物体的长度。大家都明白,一个直尺的精密度(最小刻度),大概是1mm(1毫米),也就是0.1 cm (0.1厘米)。好了,我们用这支尺来测量一支牙签的长度,我们得到了测量值: 牙签的长度 = 6.4 cm 这是一个有效数字为2的数值。那么,如果有一位同学说,我测到的是: 牙签的长度 = 6.43 cm 这位同学,很可能是言过其实了,他或她怎么能够确定那0.03 cm是可靠的呢?其中猜测的成分就比较高的了,也就是说,那多出来的一位数是“无效的”了。然而,我们说,牙签的长度 = 6.4 cm,可以相当明确的、肯定的说:那不是6.3 cm 或6.5 cm,而是6.4 cm,这6.4 cm的两位数字,则都是“有效的”了。再说,牙签的长度 = 6.4 cm, 这种描述,应该是令人满意的了,毕竟只是一支牙签。如果有些物体,精确度非常重要,而必须测量出更精确的数值,那么,就必须考虑使用更精密的仪器来测量,而不能凭猜测的。 我们再举一个例子,还是用直尺,但是用来量度一条水库鱼的长度(笔者喜欢去吃农家菜),如果,我们得到: 水库鱼长度 = 64.3 cm (很大的一条鱼) 那么,这回是一个有效数字为3的数值了。有效数字多出了一位,其中的含义是什么呢? 事实上,这条水库鱼,即使我们我们用了2个有效数字来描述,说是64 cm,大部分的人也是能够接受的,如果有人要求高些,也可以按要求,给出3个有效数字:64.3 cm。 我们现在来看看有效数字的含义: 先看牙签的长度: 牙签的长度 = 6.4 cm, 测量的误差最多为加减0.1 cm,或说 1 mm(也就是最差的情况,一般不太可能那么差), 那么最大的百分误差是多少呢?我们来算算: 0.1/6.4 = 0.016 = 1.6 % 所以说,最大的百分误差应该是加减1.6 %;百分之1.6,误差不大,一般用途,可以接受。 再看看水库鱼长度: 水库鱼长度 = 64.3 cm,误差最多也为加减 0.1 cm (亦即1 mm) 那么最大的百分误差可计算如下 0.1/64.3= 0.0016 = 0.16 % 最大的百分误差误差则是 0.16%,也就是千分之1.6了,精密度也就是更大了,精密了10倍。所以说,有效数字,可直接反映出百分误差的大小。 再举一个例子,比如说,我们用一个卷尺(也具有1 mm的刻度),来测量一段道路的长度,发现数值为 64.327米(或6432.7 cm) 这是一个有效数字为5的数值,其最大百分误差为 0.001/64.327或0.1/6432.7 = 0.000016 = 十万分之1.6(注:1 mm = 0.001 m) 十万分之1.6的精密度,实在是不小,重点是,有没有那个必要?或者,在某些用途中,十万分之1.6的精密度,有没有实际意义在?比如说,吾人报告此段道路的长度为64.3米(三位有效,3 s.f.),甚至说64米(两位有效,2 s.f.),一般来说,是令人满意的了,如果说是64.327米,可能有人会觉得很没必要那么说,甚至于很可笑了,因为开车时、或走路时,那0.001米,对大家来说,是没太大意义的。即使说64.3米,其误差也只有千分之1.6了,因为,即使最大误差为10厘米(0.1米)那么多,我们可以确定道路长度,在最大的误差之下,则可能会是64.2米或64.4米(事实上不可能差那么多),则最大百分误差为 0.1米/64.3米 = 0.0016 = 0.16%,也就是千分之1.6了,针对一般用途来说,已经是非常精确的了。 所以,以一般用途而言,2个有效数字(2 s.f.)往往隐含着百分之几的误差;而3个有效数字(3 s.f.),往往隐含着千分之几的误差。至于更多的有效数字,往往是用在非常特别的领域之中,有其非

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