测量的可靠性:精确度与准确度Reliable Measurements: Precision and Accuracy

大思想 · 数量与比例(SPQ)AP 科学实践 5 · 数学运算约 25 分钟

学习目标

  • 区分准确度和精确度
  • 正确读取仪器的读数,知道要估读一位
  • 数出一个测量值有几位有效数字

前置知识

  • 测量与单位(1.1.4)

测量总有误差

同一支铅笔,三个同学用同一把尺子量,可能得到 15.32 cm、15.33 cm、15.31 cm。每次测量都会有一点误差error。误差不是“错误”,而是测量本身不可避免的不确定性。我们要做的,是让误差尽量小,并且如实地报告结果。

准确度和精确度

  • 准确度accuracy:测量值和真实值有多接近。
  • 精确度precision:多次测量的结果彼此有多接近。

可以用打靶来比喻:靶心是真实值,每个点是一次测量。系统误差(比如天平没有调零)会让所有点整体偏向一边,结果就不准确;随机误差会让点四处分散,结果就不精确。拖动滑块试一试:

动手试试:拖动滑块,看"准确"和"精确"有什么不同
准确精确

精确不等于准确:天平没调零时,每次称都偏大 0.5 g,几次结果彼此很接近(精确),但都偏离真实值(不准确)。

读数要估读一位

读仪器时,先准确读到最小刻度,再估读一位。比如最小刻度是 1 mm 的刻度尺,读数要写到 0.01 cm:2.35 cm,其中 2.3 是准确读出的,最后的 5 是估读的。

🔧 数学工具卡 · 有效数字会了可以跳过

有效数字:一个测量值中所有准确的数字,加上最后一位估读的数字。数有效数字的规则:

  1. 非零数字都有效:2.35 有 3 位。
  2. 夹在非零数字中间的 0 有效:1002 有 4 位。
  3. 最前面的 0 只是用来定小数点位置,不算:0.0520 前面的两个 0 不算。
  4. 小数点后末尾的 0 有效:0.0520 末尾的 0 算,所以有 3 位;12.30 有 4 位。
  5. 没有小数点的整数,末尾的 0 说不清是否有效,最好用科学计数法:3.50 × 10³ 有 3 位。
试一试:输入一个测量值,看哪些数字是有效数字

例题 1:用刻度尺读数

用最小刻度为 1 mm 的刻度尺量一支铅笔,铅笔末端在 15.3 cm 和 15.4 cm 之间,大约在两条刻度线中间稍微偏右。应该怎样记录?

分步解析
  1. 准确值。 最小刻度是 0.1 cm,能准确读出 15.3 cm。
  2. 估读。 末端在 15.3 和 15.4 之间大约 6/10 处,估读出 0.06 cm。
  3. 记录。 15.36 cm,有 4 位有效数字,最后的 6 是估读的。
  4. 不能怎么写。 不能写成 15.4 cm(丢了估读位),也不能写成 15.362 cm(这把尺子做不到那么精确)。

例题 2:准确还是精确

某物体的真实质量是 5.00 g。甲三次称量得到 5.01 g、4.99 g、5.00 g;乙得到 5.31 g、5.30 g、5.32 g。分别评价两人的结果。

分步解析
  1. 甲。 平均值 5.00 g,和真实值很接近,所以准确;三次结果相差很小,所以精确。
  2. 乙。 三次结果彼此很接近,所以精确;但都偏大约 0.3 g,所以不准确。可能有系统误差,比如天平没有调零。
练一练:某物体的真实质量是 10.0 g,评价下面每组三次测量的结果
  1. 10.0 g、10.1 g、9.9 g
  2. 11.2 g、11.3 g、11.2 g
  3. 9.0 g、11.0 g、10.1 g
  4. 12.0 g、13.5 g、11.1 g

常见误区

误区 1:把精确当成准确。 几次结果很接近,只说明精确;只有和真实值接近,才算准确。

误区 2:读数不估读,或者估读太多位。 用最小刻度 1 mm 的尺子,读数写到 0.01 cm,不多也不少。

误区 3:把前面的 0 算成有效数字。 0.0520 有 3 位有效数字,不是 5 位。

即时小测

0.00340 有几位有效数字?

用最小刻度为 1 mm 的刻度尺测量长度,下列记录正确的是?

小结

  • 测量总有误差。准确度看离真实值多近,精确度看几次结果彼此多近。
  • 系统误差让结果整体偏离(不准确),随机误差让结果分散(不精确)。
  • 读数时准确读到最小刻度,再估读一位。
  • 有效数字:前面的 0 不算,中间的 0 算,小数点后末尾的 0 算。
通往 AP(以后再看)

AP 计算题要按有效数字报告答案;实验题常问误差来源,以及某个误差会让结果偏大还是偏小。阶段二的 2.1.1 会学有效数字的运算规则。

练一练这一章:模块 1 · 化学是什么 · 10 道题

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