實驗中正確讀數的有關問題
教學標準精神
全日製中學物理教學標準規定,在物理實驗中要求學生了解誤差概念,同時指出:高中要求理解有效數字的意義,測量中能按有效數字的要求讀數。根據標準的精神,近些年高考試題中反複出現關於測量儀器(工具)讀數的試題,據了解這類題得分率不高。在教學中要貫徹標準精神,讓學生在了解誤差概念的基礎上能夠正確的讀數,這是實驗教學中必須注意的問題。
目前存在的問題
在教學及教研活動中常能聽到學生(包括一些老師)說:“讀數要讀到最小分度的下一位。”
這種說法是不科學的、是錯誤的。在一些教材及教學參考書中關於讀數的問題常有這樣的敘述:測量儀器的讀數一般分為三種情況,一種是不做估讀,例如遊標卡尺、秒表;一種是儀器精密度較高,可按110或15估讀;第三種是儀器精密度不高,可按12做估讀。問題在於就中學實驗中使用的儀器而言,哪些是精密度高的儀器,哪些是精密度不高的儀器很難劃分,也很難向學生介紹。
誤差出現在哪一位是由儀器本身所決定的按照有效數字的概念,有效數字的最後一位是有誤差的,因此讀數規則是:讀到誤差位。哪一位數字出現誤差是由測量儀器本身所決定的,例如目前中學物理實驗室使用的J0407型、J0408型安培表和伏特表,其準確度等級是25級,即在正常使用的條件下最大的絕對誤差不超過滿刻度的25%。例如使用量程為06安的安培表,最大誤差為06×25%(A)=0015A,誤差出現在安培的百分之一位上;使用量程為3安時最大誤差為3×25%(A)=0075A,誤差出現在安培的百分之一位上。又例如伏特表的兩個量程為3伏、15伏,使用量程為3伏時的最大誤差為3×25%(V)=0075V,誤差出現在伏特的百分之一位上;使用量程為15伏時的最大誤差為15×25%(V)=037V,誤差出現在伏特的十分之一位上。例如實驗室用的米尺最大絕對誤差為015毫米,誤差出現在毫米的十分之一位上。
快速可行的確定誤差位的方法
在不向學生介紹儀器準確度等級的情況下,如何向學生介紹確定讀數誤差的方法呢?具分析和比較發現,對於中學物理實驗中幾乎所有的測量儀器(除天平、歐姆表外)都可用簡單的方法定出誤差位,給讀數帶來很大的方便。方法如下:第一步確定儀器的最小分度;第二步將最小分度除以2,所得數字與測量儀器的最大誤差在同一數量級,這樣立刻可顯示誤差出現在哪一位。
例如米尺,最小分度為1毫米,除以2,結果為05毫米,誤差出現在毫米的十分之一位上。
例如10分度的遊標卡尺(遊標的10個等分刻度總長為9毫米),遊標的讀數值為01毫米,即可認為最小分度為01毫米,除以2,結果為005毫米,即誤差出現在毫米的百分之一位上。
例如20分度的遊標卡尺(遊標的20個等分刻度總長為19毫米),遊標的讀數值為005毫米,即可認為最小分度為005毫米,除以2,結果為0025毫米,誤差出現在毫米的百分之一位上。
例如50等分的遊標卡尺(遊標的50個等分刻度總長為49毫米)遊標的讀數值為002毫米,即可認為最小分度為002毫米,除以2,結果為001毫米,誤差出現在毫米的百分之一位上。
例如千分尺,最小刻度為001毫米,除以2,結果為0005毫米,誤差出現在毫米的千分之一位上。
例如J0407型安培表量程為06安的表盤如圖1所示。最小分度為002安,除以2,結果為001安,誤差出現在安培的百分之一位上。其他測量工具的誤差這裏不再贅述。
定出誤差位,讀數讀到誤差位,這就是讀數原則。不必再向學生介紹1/10、1/5、1/2估讀的問題。仍以J0407型安培表為例,若指針指在圖2所示的位置。在022~024A之間的百分之一位上數字僅有“3”,而讀數隻能讀到百分之一位上,因此讀數應為023安,若指針指在如圖3所示的位置上,有的同學可能會認為這個讀數比022安大些而比023安又小些,應讀為0225安,這種想法是不對的。因為此表的誤差位出現在安培的百分之一位上,即在百分之一位上已經出現誤差,因此可讀為022安或023安均可,從而保證了讀到誤差位的原則。