大學物理實驗有效數字與測量值小記


不得不說,大學物理實驗這個有效數字和測量值的表達真的把我搞暈了,老師也就粗略過了一下緒論,結果實驗報告要求又嚴格...這里根據網上搜集到的資料個人理解做個總結,也以便后期參考

我學校使用的教材:《大學物理實驗教程》主編:徐滔滔 - 科學出版社

0x01 有效數字怎么算

https://zhuanlan.zhihu.com/p/380393523

上面這篇知乎文章已經將有效數字的加減乘除科學計數法計算給講了,總結一下就是:

  1. 有效數字四舍六入五湊偶
    (這里的五湊偶或者五成雙指的是5前面一位數字如果是偶數就舍掉,如果是奇數就去5進1,將這個奇數湊為偶數

    ///////注: 大物實驗中的四舍六入五成雙似乎不用考慮5后面的數字,5前面是偶數就舍去,是奇數就進一///////

  2. 有效數字的乘除和加減 結果上的修剪 都是看 運算式子 中的 尾部某個高位(注:從左到右位數逐漸降低-萬千百十個)

  3. 加減運算式中看 式子中 尾部位數 最高 的,結果值的 尾部位數 與之匹配
    比如520-131.4=388.6=389,式子中尾部最高位520的0,也就是個位,所以結果也保留到個位

  4. 乘除運算式中看 有效數字位數最少 的,結果值的 有效數字位數 與之匹配
    比如1.98x7.9=15.642=16,式子中保留有效數字最少的是7.9,兩位,所以結果也算保留兩位有效數字

  5. 科學計數法運算式中看每個數值中 10的指數 是不是相同的,如果不相同將其統一,其他運算同加減

  6. 復合運算先括號、再乘除、后加減

除此之外書上還有幾個注意點:

  1. 對數函數運算后的結果中的 小數點保留位數真數有效數字位數相同

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    比如第一個例子中真數為1.983,有效數字有四位,所以最后修約為了四位小數->0.6846

  2. 指數函數結果中 有效數字位數指數小數點后位數相同(我用的這本教材是這樣寫的)

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    這個例子中10的指數6.25,小數點后位數是2位,得出來的結果也就保留兩位有效數字1.8e+6

  3. 三角函數結果中 有效數字位數角度的有效數字位數一致

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    這個例子中30°00'這個角度是4位有效數字,結果也就保留四位有效數字0.5000

  4. 其他的函數自變量末位改變1,算出來結果產生的差異的最高位就是應該保留的有效數字最后一位 (老實說這個我看了好一會兒都沒會過來,到網上還查了半天,這鬼書也不給個例子,大概是下面這個意思)

    • 假如我有個函數:

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    • 或者更加方便,我們把他轉換為Python語句:

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    • 首先我們傳入一個0.43655賦值給自變量x,算出結果是0.4088509025。接着傳入0.43655+0.00001=0.43656,也就是自變量的末位改變1,我們得到結果0.4088646336

    • 兩個結果產生的差異是0.0000137311,注意這里的最高位指的是從左往右第一個產生差異的位數,比如這里就是0.0000137311,小數點后第五位是第一個產生差異的位數

    • 由此,我們算出的兩個結果應該也修約為保留到小數點后第五位,得到兩個結果:

      result1 = 0.40885  
      result2 = 0.40886
      
    • 除此之外網上還有個例子可供參考:

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  5. 對於有效位數無限的數值,像πe1/3,2^{0.5}之類的, 在運算中可以比其他有效數字多取一位,同樣運算中間過程也可以多保留一位來確保精度

0x02 實驗測量結果的表達式

好了,有效數字搞定了,又到了一個蛋疼的點——實驗測量結果的表達式。主要考的是平均值±不確定度的形式,就主要記一下這個吧

  1. 大學物理實驗里不確定度的有效數字為了簡單一般只取1首位有效數字為1或2時保留2位(修約的時候只進不退,而不是四舍五入)。而相對不確定度通常保留2
  2. 統一平均值單位和不確定度單位
  3. 平均值結果非常大時要使用科學計數法進行表示
  4. 不確定度有效數字保留到了哪一位,對應平均值就保留到哪一位
    比如7.5586±0.003,不確定度0.003有效數字保留到了小數點后第三位,那么平均值也要保留到小數點后三位,也就是結果寫成7.559±0.003

After all

當今的學習着實要充分利用網絡資源啊...后面還要做好幾次大物實驗,要痛苦面具了

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