大學物理實驗中A類不確定度的五種處理方法

樊娟娟，潘振東

(1.吉林農業大學，吉林 長春　130118；2.東北師范大學附屬中學，吉林 長春　130022)

大學物理實驗中A類不確定度的五種處理方法

樊娟娟1，潘振東2

(1.吉林農業大學，吉林 長春130118；2.東北師范大學附屬中學，吉林 長春130022)

摘 要：大學物理實驗中常使用不確定度來表示實驗測量結果。A類不確定度計算公式繁雜，計算量大，花費學生大量的時間。本文給出了A類不確定度的五種處理方法，使學生在輕松的教學氛圍中完成復雜、枯燥的數據處理，激發學生學習大學物理實驗的興趣。

關鍵詞：大學物理實驗；A類不確定度；標準偏差

實驗數據處理及實驗結果評定是大學物理實驗中重要的一個環節[1]?？茖W實驗對于實驗結果,不僅要給出被測量的值,還要給出該測量值的不確定度，以表明該測量結果的可信賴程度。不確定度的計算一直是大學物理實驗教學中的重點和難點[2]。不確定度由A類不確定度和B類不確定度構成。其中A類不確定度的計算公式繁雜，計算量大，花費學生大量的時間。學生通常采用手工計算A類不確定度，不僅效率低，而且容易出錯[3]。復雜的計算使學生放棄對實驗數據的科學處理，喪失物理實驗學習的興趣[4]。為使學生從枯燥的計算中擺脫出來,從而更加專心地思考實驗原理、方法與技巧,本文結合例題給出了A類不確定度的五種處理方法。利用計算機軟件計算A類不確定度大大地節約了學生的時間，提高了學習效率。

例題：用毫米刻度的米尺，測量物體的長度10次，其測量值分別為：l(cm)=53.27，53.25，53.23，53.29，53.24，53.28，53.26，53.20，53.24，53.21,試計算合成不確定度，并寫出測量結果[5]。

根據以上分析，例題的解析過程為：

(1)計算l的近真值

(2)計算A類不確定度

(3)計算B類不確定度

uB=Δ儀=0.05(cm)。

(4)合成不確定度

(5)測量結果的標準式為 l=(53.25±0.06)(cm)

如何簡單、快速地計算A類不確定度uA即標準偏差Sx成為表示實驗結果的關鍵。下面我們給出計算A類不確定度的五種方法。

方法一：利用科學計算器計算A類不確定度

科學型計算器一般帶有統計功能，能滿足實驗數據處理的要求?？茖W型計算器價格便宜、攜帶方便,對沒有計算機的物理實驗室來說貢獻是巨大的。利用科學計算器計算A類不確定度的步驟如下：(1)打開計算器；(2)選擇【MODE】【3】進入標準偏差計算狀態；(3)選擇【SHIFT】【Scl】【=】清除以前存儲的數據；(4)輸入第一個測量值53.27，選擇【M+】鍵，然后依次輸入剩余9個測量值，每次輸完數據都要選擇【M+】(5)選擇【SHIFT】【xσn-1】【=】，計算這組數據的標準偏差，即A類不確定度。

方法二：利用計算機自帶的“計算器”功能計算A類不確定度

在【開始】菜單所有程序中選擇【附件】，點擊其中的【計算器】。在【查看】中選擇【統計信息】，如圖1所示。如果要計算例題中10個測量值的標準偏差，我們首先要在計算器上輸入第一個數值53.27。然后，我們再用鼠標的左鍵點擊最右角的“Add”鍵，這時，我們所輸入的數據就會出現在上方的統計框中。

圖1　計算器使用圖示

如圖2，在統計框中就出現了53.27。接著，我們可以用同樣的方法輸入其他9個數值，每輸入一個數值后，一定要用鼠標的左鍵點擊“Add”鍵，讓10個數據全部出現在統計框中。最后，我們再用鼠標的左鍵點擊σn-1鍵，這樣10個數據的標準偏差就計算出來了，圖3中圈起來的部分就是我們需要算出的標準偏差，即A類不確定度。

圖2　計算器使用圖示

圖3　計算器使用圖示

方法三：利用Excel計算A類不確定度

首先我們創建一個空白的Excel工作表，然后將例題中的10個測量值依次輸入到表格中的第一列。如圖4所示，點擊【開始】-【自動求和】旁邊的三角，出現下拉菜單，點擊【其他函數】。我們看到會出現圖5所示的【插入函數】的窗口，點擊【選擇類別】，選擇【常用函數】，找到標準偏差的函數【STDEV】。點擊確定后，在【函數參數】窗口中，設置選擇數據，如圖6所示【Number1】選擇A1:A10。選擇完成后，點擊【確定】。我們就可以在圖7中看到計算好的標準偏差。

圖4　Excel工作表圖示

圖5　Excel工作表圖示

圖6　Excel工作表圖示

圖7　Excel工作表圖示

方法四：利用Origin軟件計算A類不確定度

首先把10個測量值依次輸入到origin里A[X]列中。然后如圖8選擇A[X]列中的數據，點擊【Statistic】，選擇【descriptive statistics】，出現下拉菜單，找到【statistics on columns】后點擊確認。進行上述操作之后，系統會生成一個【data】窗口，如圖9所示。該【data】里包含所有基本統計數據，其中Mean(Y)代表這10個測量值的平均值，SD代表所要計算的標準偏差。

方法五：利用“標準差計算工具”軟件計算A類不確定度

“標準差計算工具”這款小軟件是專門為了計算標準偏差而推出的，操作非常方便[9]。如圖10所示，在左列【一、計算方法選擇】中選取默認的【貝塞爾公式】。然后在中間列【二、輸入數據】-【測量次數n】中選擇我們測量值的個數“10”，依次把10個測量值輸入到【測量數據】中。最后，點擊【算術平均值】、【測量列中單次測量的標準差】，就可以得到待求的數值，如圖11。

圖8　操作圖示

圖9　操作圖示

圖10　操作圖示

圖11　操作圖示

除了上述五種處理方法，計算機基礎好的學生還可以自己利用MATLAB、C語言、FORTRAN語言、VB語言等編寫一些簡單實用的小程序來計算A類不確定度。

學生利用計算機計算A類不確定度既方便又簡單且準確。不確定度計算原本被認為是最繁瑣、枯燥的，然而計算機軟件的使用將學生從繁瑣的數據處理中解脫出來，降低了實驗誤差，使學生在輕松的教學氛圍中完成了復雜、枯燥的數據處理，有助于學生把更多的精力投入到對物理實驗內容、實驗現象的理解上，加深了學生對大學物理實驗的興趣。而且利用計算機處理A類不確定度,可以提高大學物理實驗的現代化水平,培養學生應用計算機的能力和創新意識，全面培養學生素質。

參考文獻：

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[2]孫紅章,王翚，蘇向英.大學物理實驗教學中關于實驗數據的不確定度的計算和分析[J].教育教學論壇,2015,35：34-37.

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[9]胡勇，王嚴東.淺議物理實驗測量誤差和不確定度的異同[J].大學物理實驗，2015(1)：33-35.

Five Processing Methods of Type an Uncertainty in University Physics Experiment

FAN Juan-juan1,PAN Zhen-dong2

(1.Jilin Agricultural University,Jilin Changchun 130118;2.High School Attached to Northeast Normal University,Jilin Changchun 130022)

Abstract：Uncertainty is often used to represent measurement result in university physics experiment.Type an uncertainty calculation formula is so complicated that students spend a lot of time on calculation.Five processing methods of type an uncertainty are presented in this paper,which cause the students to complete the complicated and boring data processing in the relaxed teaching atmosphere and arouse the students' interest in learning university physics experiment.

Key words：university physics experiment；type an uncertainty；standard deviation

收稿日期：2015-11-15

基金項目：2013年吉林農業大學校級重點教研課題(2013xjzd054)

文章編號：1007-2934(2016)02-0100-06

中圖分類號：O 4-39

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.027