(整理)专题二 测量方法及误差分析(四).

专题二测量方法与误差分析
观察和测量是科学实验中，经常运用的科学方法。

人类在进行定性实验中，主要用到的科学方法是观察。

上一专题中，我们主要研究了科学观察。

在本专题中，我们将简单了解测量的有关知识，以及在中小学教学中测量这一方法的教学要求及其实现途径。

在科学上，测量这一方法用的领域也非常广，几乎所有的定量实验都需要用到测量法。

实验四一般测量
[理论探究]
一、测量
1．测量的含义
测量就是用仪器确定空间、时间、温度、速度、功能等有关数值。

在科学实验中，有时需要知道研究对象所含的化学成分及其具体含量，这就需要通过仪器进行分行，不仅进行定性分析，还要进行定量测定。

2．测量的方法
测量物体，无论是固体、液体还是气体，根据测量内容的不多，方法很多。

有些测量，我们可以直接使用测量仪器获得所需的结果，这种测量我们叫它直接测量；但在科学实验中，有很多情况需要测量后经过数学公式（如计算面积和体积的公式等）的运算，才能得出所需的数值。

测量的内容和方法简介于下表。

从上面的测量简表中，我们可以看出对于物体的测量包括很多方面，而对物体长度的测
量是这些测量中最基本的一种测量，也是研究和分析物体的一种方法。

在中小学中涉及的长度测量，主要是让学生掌握测量的方法、科学记录数据和误差分析等方法，从而提高能力。

1.米尺
米尺的最小刻度值为1mm ，用米尺测量物体的长度时，可以估测到十分之一毫米，但是最后一位是估计的。

如用米尺测量一张书桌的长度和宽度的数值分别为55.25cm 和48.43cm ，其中55.2和48.4是准确的，而最后一位数字5和3是估计值，也就是含有误差的测量值，根据有效数字的书写方法可知，用米尺做长度测量时，当用厘米做单位时，数值应读到小数点后第二位为止。

2.游标卡尺
游标卡尺简称卡尺，是一种比较精确的常用测量长度的量具，其准确度可达
0.1~0.01mm ，它的外形和结构如图1-1所示。

游标卡尺主要由主尺和可以沿主尺滑动的游标尺（副尺）组成。

钳口A 、B 用来测量物体的外部尺寸，刀口B A ''、可用来测量管的内径或槽宽；尾尺C 可用来测量槽或小孔的深度。

主尺的最小分度为1mm ，游标尺上刻有游标E ，利用游标可以把主尺上的估读数值准确地测量出来，从而提高了测量的精确度。

以10分度游标为例，图1-2为测量精确到
1
10
分格的游标(称作10分游标)的原理图。

游标尺上只有10个分格，是将主尺上的9个分格10等分而成，由此有标尺上的一个分
格的间隔等于主尺一个分格的
110。

图1-3是使用10分游标测量的示意图。

测量时将物体ab 的a 端和主尺的零线对齐，另一端b 在主尺的第7和第8格分格之间，即物体的长度稍大于7个主尺格。

设物体的长度比7个主尺格长l ∆，使用10分游标可将l ∆测准到主尺一分格的
1
10。

如图1-3示，将有标的零线和物体的b 端相接，查出与主尺刻线对齐的是由标尺上的第6条线，则
99
(66)6(1)0.61010
l ∆=-⨯
=-=主尺格主尺格主尺格 即物体的长度等于7.6主尺格。

如果主尺每分格为1mm ，则被测物体的长度为7.6mm 。

由图1-3可以看出，游标卡尺是利用主尺和游标尺上每一分格之差，使测量读数进一步精确的，此种方法称作差示法。

参照上例可知，使用游标卡尺进行测量时，读数分为两步： (1)从游标零线位置读出主尺的整格数.
(2)根据游标上与主尺对齐的刻线读出不足一分格的小数,二者相加即为测量值. 一般说来,游标是将主尺的1-n 个分格，分成n 等分（称作n 分游标），如主尺的一分格宽为x ，则游标一分格宽为n x n /)1(-，二者的差为/x x n ∆=
是游标尺的分度值。

图1-4所示，使用n 分游标测量时，如果是游标的第k 条线与主尺的某一刻线对齐，则所求的l ∆值等于
1n x
l kx k
x k n n -∆=-= ，即l ∆等于游标分度值x n
乘以k 。

所以使用游标卡尺时，先要明确其分度值。

一般使用的游标有n 等于10、20和50三种，其分度值即精密度分别为0.1mm 、0.05mm 和0.02mm 。

现代生产和实验中使用的常为五十分游标，是将主尺的49mm 等分为游标的50个分格，即游标的一个分格宽度为0.98mm ，它的分度值即精密度为0.02mm 。

3.螺旋测微器
螺旋测微器又称千分尺，是比游标卡尺更精密的测长仪器，准确度可在
001.0~010.mm 之间。

常用于测量细丝和小球的直径以及薄片的厚度等。

螺旋测微器的外形与结构如图1-5所示。

螺母套管B 、固定套管D 和测砧E 都固定在尺架G 上。

D 上刻有主尺，主尺上
有一条横线称作读数准线，横线上方刻有表示毫米数的刻线，横线下方刻有表示半毫米数的刻线。

测微螺杆A 和微分筒C 、棘轮旋柄K 连在一起。

微分筒上的刻度通常为50
分度。

测微螺杆的螺距为0.5，当测微螺杆旋
转一周时，它延轴线方向前进或后退0.5mm ，
而每旋转一格时，它延主轴线方向前进或后退0.5
0.01
50
mm。

可见该螺旋测微器的最小
刻度值为0.01mm，即千分之一厘米，故亦称千分尺。

使用螺旋测微器测量物体长度时，要先将测微螺杆A退开，将待测物体放在A
E、的两个测量面之间。

螺旋测微器的尾端有棘轮旋柄K，转动K可使测杆移动，当测杆与被测物（或砧台E）相接后的压力达到某一数值时，棘轮将滑动并产生喀、喀的响声，活动套管不再转动，测杆也停止前进，此时即可读数。

读数时，从主尺上读取0.5mm以上的部分，
从微分筒上读取余下尾数部分[估计到最小分
度值的十分之一，即1000
/1(mm)]，然后两
者相加，如图1-6(a)的读数为5.155mm，(b)
的读数为5.655mm。

使用螺旋测微器应注意以下几个问题：
(1)测量前要检查零点读数，并对测量数据作零点修正。

螺旋测微器的测杆A与测砧E相接时，活动套管上的零线应当刚好和固定套管上的横线对齐，而实际使用的螺旋测微器由于调整不充分或使用不当等原因，造成初始状态与上述要求不符，既有一个不等于零的零点读数，图1-7表示两种零点读数的例子。

要注意它们的符号不同，每次测量后，要从测量值的平均值中减去零点读数。

(2)检查零点读数和测量长度时，切忌直接转动测微螺杆和微分筒，而应轻轻转动棘轮旋柄。

设置棘轮可保证每次测量条件（对被测物的压力）一定，并保护螺旋测微器的精密螺纹，如不使用棘轮而直接转动活动套管去卡物体时，由于对被测物的压力不稳定而测量不准确，另外可使螺纹发生形变和增加磨损，降低了仪器的准确度。

(3)测量完毕应使测砧和测微螺杆留有间隙，以免因热胀而损坏螺纹。

【动手实践】
（一）观察内容
1.仔细观察游标卡尺和螺旋测微器的构造和形状，弄清各部分的功能和使用方法。

2.在实验报告上，画出游标卡尺和螺旋测微器的草图。

（二）常规测量（独立完成）
1.用米尺分别测量实验桌的长度和宽度，计算出实验桌的面积。

并按照单次测量误差计算方法计算误差。

2.测量规则长方体的长、宽、高。

要求在不同部位分别测量6次。

计算出长方体的体积，并进行误差分析。

3.记下游标卡尺的分度值。

用游标卡尺测量给定圆柱的外径D、内径d及螺母厚度各6
次(测量时要在垂直交叉方向进行)，计算体积，并进行误差分析。

4.记下螺旋测微器的分度值。

测量其零点读数3次，求出平均值。

5.按步骤4用螺旋测微器测量给定细丝不同部位的直径2d ，测量6次。

表示测量结果并进行误差分析。

（三）特殊测量（两人合作）
1.利用给定工具，测量指定粗圆筒的体积。

要求：写出原理表达式及测量示意图，每个物理量至少测量6次，并表示出测量结果及误差分析。

2.利用给定工具，测量指定螺母的体积。

要求：写出测量方案及测量示意图，每个物理量至少测量6次，并表示出测量结果及误差分析。

参考表格，也可自行设计。

表1-1米尺测量长度 米尺分度值=_______mm
S l h l h
σ∆∆=
+=
表1-3 用螺旋测微器测量直径 螺旋测微器的分度值=________mm
=+=111d d d σ
=∆+∆+∆=r
d
R D h h
V 22σ=
-=)(4
22d D h V π
【实践反思】
1.将一个钢直尺旁附上一个特制的游标，可以成为一游标尺码？
2.一铜丝的直径大约0.05mm ，用什么仪器以及如何测量其直径，才能使其不确定度不大于0.001mm ？
3.如何确定一螺旋测微器的零点读数？如果某一螺旋测微器的零点读数为01
4.0-，用此螺旋测微器测量钢丝的直径为2.478mm ，则测量值应修定为多少？
4．如何根据测量对象特征、测量要求，选择合适的测量工具？
5．结合动手实践体验，写出指导学生运用游标卡尺、螺旋测微器测量物体的教学指导，并进行数据处理讲解。

[施教体验]
课题：长度的测量
1.施教准备
（1）拟定实验指导方案
根据该实验的教学要求及该实验的教育功能出发，结合动手体验从实验目的、内容、实验安全警示、实验方法和步骤、思考题等编写施教实验指导方案。

（2）器材的准备
实验前应对所用器材、物品逐一检查,发现故障或问题应及时解决；制定测量表格。

2.角色扮演
以实验小组成员为单位，分别扮演实验教师，轮流进行实验教学指导练习。

具体练习可参照如下内容：
（1）交代实验目的 （2）具体实验讲解 （3）交代实验注意事项
3.交互指导，总结实验成功关键因素。

=
+=2
2
2
d d d σ
附录：《长度的测量》教学指导
《长度的测量》教学指导
【目的和要求】
1．对长度的各个单位形成具体的观念。

2．知道怎样正确使用刻度尺进行长度的测量。

3．知道测量的准确度是由测量工具的最小刻度决定的，知道如何正确记录测量的结果。

【仪器和器材】
最小刻度为分米、厘米和毫米的刻度尺各一支，木折尺、钢卷尺、游标卡尺、螺旋测微器。

【实验方法】
1．出示最小刻度分别为分米、厘米和毫米的三种刻度尺，让学生观察它们的量程和最小刻度，并对1米、1分米、1厘米的长度形成具体观念。

2．用上述三种刻度尺测量同一物体的长度，并记录测量结果。

观察重点：刻度尺的刻度情况；教师的测量方法；测量结果的正确记录。

3．出示木折尺、钢卷尺、游标卡尺和螺旋测微器，指出其最小刻度或测量能达到的准确度。

结论：长度测量的准确度由刻度尺的最小刻度决定，应根据测量的准确度要求，选用适当的刻度尺或其他测量工具。

【注意事项】
1．要教给学生正确该数和记录的方法。

当被测长度的一端和刻度尺零刻度线对齐，另一端位于两个最小刻度之间时，只能用眼睛估读，因而是不准确的，记录的数字要比刻度尺的最小刻度的示数多一位。

2．由于刻度尺的端面往往被磨损，它的零刻度线不适于作为测量时的起点线，这时可以在刻度尺上任选一刻度线作为测量的起点线。

附录实验数据的误差分析
通过实验测量所得大批数据是实验的主要成果，但在实验中，由于测量仪表和人的观察等方面的原因，实验数据总存在一些误差，所以在整理这些数据时，首先应对实验数据的可靠性进行客观的评定。

误差分析的目的就是评定实验数据的精确性，通过误差分析，认清误差的来源及其影响，并设法消除或减小误差，提高实验的精确性。

对实验误差进行分析和估算，在评判实验结果和设计方案方面具有重要的意义。

本章就化工原理实验中遇到的一些误差基本概念与估算方法作一扼要介绍。

2.1 误差的基本概念
2.1.1真值与平均值
真值是指某物理量客观存在的确定值。

通常一个物理量的真值是不知道的，是我们努力要求测到的。

严格来讲，由于测量仪器，测定方法、环境、人的观察力、测量的程序等，都
不可能是完善无缺的，故真值是无法测得的，是一个理想值。

科学实验中真值的定义是：设在测量中观察的次数为无限多，则根据误差分布定律正负误差出现的机率相等，故将各观察值相加，加以平均，在无系统误差情况下，可能获得极近于真值的数值。

故“真值”在现实中是指观察次数无限多时，所求得的平均值（或是写入文献手册中所谓的“公认值”）。

然而对我们工程实验而言，观察的次数都是有限的，故用有限观察次数求出的平均值，只能是近似真值，或称为最佳值。

一般我们称这一最佳值为平均值。

常用的平均值有下列几种： （1）算术平均值
这种平均值最常用。

凡测量值的分布服从正态分布时，用最小二乘法原理可以证明：在一组等精度的测量中，算术平均值为最佳值或最可信赖值。

n
x
n x x x x n
i i
n ∑=++==121 （2-1）
式中： n x x x 21、——各次观测值；n ――观察的次数。

（2）均方根平均值
n
x n
x x x x n
i i n
∑=
++
=
=1
2
2
2221
均 （2-2）
（3）加权平均值
设对同一物理量用不同方法去测定，或对同一物理量由不同人去测定，计算平均值时，常对比较可靠的数值予以加重平均，称为加权平均。

∑∑=++++++===n i i
n
i i
i n
n n w x
w w w w x w x w x w w 1
1212211 （2-3）
式中；n x x x 21、——各次观测值；
n w w w 21、——各测量值的对应权重。

各观测值的权数一般凭经验确定。

（4）几何平均值
n n x x x x x 321⋅⋅=发 （2-4）
（5）对数平均值
2
1
21
2
121ln ln ln x x x x x x x x x n -=--=
（2-5）
以上介绍的各种平均值，目的是要从一组测定值中找出最接近真值的那个值。

平均值的选择主要决定于一组观测值的分布类型，在化工原理实验研究中，数据分布较多属于正态分布，故通常采用算术平均值。

2.1.2误差的定义及分类
在任何一种测量中，无论所用仪器多么精密，方法多么完善，实验者多么细心，不同时间所测得的结果不一定完全相同，而有一定的误差和偏差，严格来讲，误差是指实验测量值（包括直接和间接测量值）与真值（客观存在的准确值）之差，偏差是指实验测量值与平均值之差，但习惯上通常将两者混淆而不以区别。

根据误差的性质及其产生的原因，可将误差分为：1）系统误差； 2）偶然误差；3）过
失误差三种。

1．系统误差
又称恒定误差，由某些固定不变的因素引起的。

在相同条件下进行多次测量，其误差数值的大小和正负保持恒定，或随条件改变按一定的规律变化。

产生系统误差的原因有：1）仪器刻度不准，砝码未经校正等；2）试剂不纯，质量不符合要求；3）周围环境的改变如外界温度、压力、湿度的变化等；4）个人的习惯与偏向如读取数据常偏高或偏低，记录某一信号的时间总是滞后，判定滴定终点的颜色程度各人不同等等因素所引起的误差。

可以用准确度一词来表征系统误差的大小，系统误差越小，准确度越高，反之亦然。

由于系统误差是测量误差的重要组成部分，消除和估计系统误差对于提高测量准确度就十分重要。

一般系统误差是有规律的。

其产生的原因也往往是可知或找出原因后可以清除掉。

至于不能消除的系统误差，我们应设法确定或估计出来。

2．偶然误差
又称随机误差，由某些不易控制的因素造成的。

在相同条件下作多次测量，其误差的大小，正负方向不一定，其产生原因一般不详，因而也就无法控制，主要表现在测量结果的分散性，但完全服从统计规律，研究随机误差可以采用概率统计的方法。

在误差理论中，常用精密度一词来表征偶然误差的大小。

偶然误差越大，精密度越低，反之亦然。

在测量中，如果已经消除引起系统误差的一切因素，而所测数据仍在未一位或未二位数字上有差别，则为偶然误差。

偶然误差的存在，主要是我们只注意认识影响较大的一些因素，而往往忽略其他还有一些小的影响因素，不是我们尚未发现，就是我们无法控制，而这些影响，正是造成偶然误差的原因。

3．过失误差
又称粗大误差，与实际明显不符的误差，主要是由于实验人员粗心大意所致，如读错，测错，记错等都会带来过失误差。

含有粗大误差的测量值称为坏值，应在整理数据时依据常用的准则加以剔除。

综上所述，我们可以认为系统误差和过失误差总是可以设法避免的，而偶然误差是不可避免的，因此最好的实验结果应该只含有偶然误差。

2.1.3 精密度、正确度和精确度（准确度）
测量的质量和水平，可用误差的概念来描述，也可用准确度等概念来描述。

国内外文献所用的名词术语颇不统一，精密度、正确度、精确度这几个术语的使用一向比较混乱。

近年来趋于一致的多数意见是：
精密度：可以称衡量某些物理量几次测量之间的一致性，即重复性。

它可以反映偶然误差大小的影响程度。

正确度：指在规定条件下，测量中所有系统误差的综合，它可以反映系统误差大小的影响程度。

精确度（准确度）：指测量结果与真值偏离的程度。

它可以反映系统误差和随机误差综合大小的影响程度。

为说明它们间的区别，往往用打靶来作比喻。

如图2-1所示，A的系统误差小而偶然误差大，即正确度高而精密度低；B的系统误差大而偶然误差小，即正确度低而精密度高；C 的系统误差和偶然误差都小，表示精确度（准确度）
高。

当然实验测量中没有像靶心那样明确的真值，
而是设法去测定这个未知的真值。

对于实验测量来说，精密度高，正确度不一定
高。

正确度高，精密度也不一定高。

但精确度（准确度）高，必然是精密度与正确度都高。

2.2误差的表示方法
测量误差分为测量点和测量列（集合）的误差。

它们有不同的表示方法。

2.2.1测量点的误差表示
1．绝对误差D
测量集合中某次测量值与其真值之差的绝对值称为绝对误差。

x X D -= （2-6） 即 D x X D x D x X +≤≤-±=-
式中：X ——真值，常用多次测量的平均值代替； x ——测量集合中某测量值 2．相对误差Er
绝对误差与真值之比称为相对误差
X
D =
Er （2-7） 相对误差常用百分数或千分数表示。

因此不同物理量的相对误差可以互相比较，相对误差与被测之量的大小及绝对误差的数值都有关系。

3．引用误差
仪表量程内最大示值误差与满量程示值之比的百分值。

引用误差常用来表示仪表的精度。

2.2.2测量列（集合）的误差表示
1．范围误差
范围误差是指一组测量中的最高值与最低值之差，以此作为误差变化的范围。

使用中常应用误差的系数的概念。

α
L K =
（2-8）
式中：K ——最大误差系数； L ——范围误差； α——算术平均值。

范围误差最大缺点是使K 只以决于两极端值。

而与测量次数无关。

2．算术平均误差
算术平均误差是表示误差的较好方法，其定义为
δ=
n
d i
∑，n i ,2,1= （2-9） 式中：n ——观测次数；
i d —－测量值与平均值的偏差，α-=i i x d 。

算术平均误差的缺点是无法表示出各次测量间彼此符合的情况。

3．标准误差
标准误差也称为根误差。

n
d i
∑=
2σ （2-10）
标准误差对一组测量中的较大误差或较小误差感觉比较灵敏，成为表示精确度的较好方
法。

上式适用无限次测量的场合。

实际测量中，测量次数是有限的，改写为
1
2-=
∑n d
i
σ （2-11）
标准误差不是一个具体的误差，σ的大小只说明在一定条件下等精度测量集合所属的任一次观察值对其算术平均值的分散程度，如果σ的值小，说明该测量集合中相应小的误差就占优势，任一次观测值对其算术平均值的分散度就小，测量的可靠性就大。

算术平均误差和标准误差的计算式中第i 次误差可分别代入绝对误差和相对误差，相对得到的值表示测量集合的绝对误差和相对误差。

上述的各种误差表示方法中，不论是比较各种测量的精度或是评定测量结果的质量，均以相对误差和标准误差表示为佳，而在文献中标准误差更常被采用。

2.2.3仪表的精确度与测量值的误差
1．电工仪表等一些仪表的精确度与测量误差
这些仪表的精确度常采用仪表的最大引用误差和精确度的等级来表示。

仪表的最大 引用误差的定义为
最大引用误差=
绝对值
该仪表相应档次量程的仪表显示值的绝对误差×100% （2-12）
式中仪表显示值的绝对误差指在规定的正常情况下。

被测参数的测量值与被测参数的标准值之差的绝对值的最大值。

对于多档仪表，不同档次显示值的绝对误差和程量范围均不相同。

式（2-12）表明，若仪表显示值的绝对误差相同，则量程范围愈大，最大引用误差愈小。

我国电工仪表的精确度等级有七种：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2..5、5.0。

如某仪表的精确度等级为2.5级，则说明此仪表的最大引用误差为2.5%。

在使用仪表时，如何估算某一次测量值的绝对误差和相对误差？
设仪表的精确度等级P 级，其最大引用误差为10%。

设仪表的测量范围为n x 仪表的
示值为i x ，则由式（2-12）得该示值的误差为
⎪
⎭⎪⎬
⎫
⨯≤=⨯≤%%
P x x x D E P x D i n i n 相对误差绝对误差 （2-13）
式（2-13）表明：
（1）若仪表的精确度等级P 和测量范围n x 已固定，则测量的示值i x 愈大，测量的相对误差愈小。

（2）选用仪表时，不能盲目地追求仪表的精确度等级。

因为测量的相对误差还与
i
n
x x 有关。

应该兼顾仪表的精确度等级和i n x x 两者。

2．天平类仪器的精确度和测量误差
这些仪器的精度用以下公式来表示：
仪器的精密度=
量程的范围
名义分度值
（2-14）
式中名义分度值指测量时读数有把握正确的最小分度单位，即每个最小分度所代表的数值。

例如TG —3284型天平，其名义分度值（感量）为0.1毫克，测量范围为0~200克，则其
精确度=7
3
10510
02001.0-⨯=⨯-）（ （2-15） 若仪器的精确度已知，也可用式（2-14）求得其名义分度值。

使用这些仪器时，测量的误差可用下式来确定：
⎪⎭
⎪
⎬⎫
≤
≤测量值名义度值相对误差名义分度值绝对误差 （2-16）
3．测量值的实际误差
由于仪表的精确度用上述方法所确定的测量误差，一般总是比测量值的实际误差小的多。

这是因为仪器没有调整到理想状态，如不垂直、不水平、零位没有调整好等，会引起误差；仪表的实际工作条件不符合规定的正常工作条件，会引起附加误差；仪器经过长期使用后，零件发生磨损，装配状况发生变化等，也会引起误差；可能存在有操作者的习惯和偏向所引起的误差；仪表所感受的信号实际上可能并不等于待测的信号；仪表电路可能会受到干扰等。

总而言之，测量值实际误差大小的影响因素是很多的。

为了获得较准确的测量结果，需要有较好的仪器，也需要有科学的态度和方法，以及扎实的理论知识和实践经验。

2.3“过失”误差的舍弃
这里加引号的“过失”误差与前面提到真正的过失误差是不同的，在稳定过程，不受任何人为因素影响，测量出少量过大或过小的数值，随意地舍弃这些“坏值”，以获得实验结果的一致，这是一种错误的做法，“坏值”的舍弃要有理论依据。

如何判断是否属于异常值？最简单的方法是以三倍标准误差为依据。

从概率的理论可知，大于σ3（均方根误差）的误差所出现的概率只有0.3%，故通常把这一数值称为极限误差，即
σδ3＝极限 （2-17）
如果个别测量的误差超过σ3，那么就可以认为属于过失误差而将舍弃。

重要的是如何从有限的几次观察值中舍弃可疑值的问题，因为测量次数少，概率理论已不适用，而个别失常测量值对算术平均值影响很大。

有一种简单的判断法，即略去可疑观测值后，计算其余各观测值的平均值α及平均误差
δ，然后算出可疑观测值i x 与平均值α的偏差d 如果 δ4≥d
则此可疑值可以舍弃，因为这种观测值存在的概率大约只有千分之一。

2.4间接测量中的误差传递
在许多实验和研究中，所得到的结果有时不是用仪器直接测量得到的，而是要把实验现场直接测量值代入一定的理论关系式中，通过计算才能求得所需要的结果，既间接测量值。