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誠實的數字:有效數字、不確定度與誤差

沒有任何測量是精確無誤的。學會分辨確定與估讀的位數、把結果寫成「數值加不確定度」,並區分「精密」與「準確」的差別。

每次測量都有最後一位不確定的數字

用毫米刻度的直尺量一支鉛筆,你可能讀到 14.2 cm。其中的 1 和 4 是確定的;最後一位的 2,則是你的眼睛在兩條刻度之間所做的最佳估讀。再量一次,你可能得到 14.3。這個微小的擺動就是測量不確定度,它是測量的真實特性,而非粗心。

判讀直尺:哪些位數是確定的、哪一位是估讀的,以及不確定度如何書寫。

那些你能誠實負責的位數——所有確定的位數,加上唯一一位估讀的——就是這次測量的有效數字。寫成 14.2 cm 主張有三位;寫成 14.20 cm 則主張有四位,並悄悄宣告你擁有更精細的儀器。

有效數字的計數與保留

規則如下:所有非零數字都算;夾在非零數字之間的零也算;前導零從不算(0.0042 有兩位有效數字);小數點後的尾隨零算(2.50 有三位)。科學記號則消除一切模稜兩可——2.50×10³ 清楚地顯示三位。

舉例來說,2.0 m × 3.14159 m = 6.3 m²——兩位有效數字,因為 2.0 只有兩位——而不是計算機樂於顯示的 6.28318 m² 那種虛假的精密。

把結果連同不確定度一起報告

一次完整的測量包含數值、不確定度與單位——例如長度為 (5.00 \pm 0.02) cm。其中的 \pm 0.02 cm 是絕對不確定度;把它除以數值,就得到相對(分數)不確定度,通常以百分比表示。

L = (5.00 \pm 0.02)\ \mathrm{cm}, \qquad \frac{\Delta L}{L} = \frac{0.02}{5.00} = 0.4\%

絕對不確定度帶單位;相對不確定度是純比值。

當你把多個測量結合起來時,不確定度會以可預測的方式增長。對和或差,把絕對不確定度相加。對積或商,把相對不確定度相加。第二條規則是你最常倚賴的。

q = xy \ \Rightarrow\ \frac{\Delta q}{q} \approx \frac{\Delta x}{x} + \frac{\Delta y}{y}

對於乘積,相對不確定度相加。

準確不等於精密

這是兩種不同的美德,卻總是被混為一談。準確度指你的結果離真值有多近;精密度指重複測量彼此聚得有多緊,而不論那一叢落在哪裡。想像一個飛鏢靶:緊緊聚在一側的一叢,是精密卻不準確;均勻散布在靶心周圍的一片,則是平均而言準確卻不精密。

成因很重要。系統誤差把每次讀數都往同一個方向推——歸零沒調好的秤、受熱伸長的捲尺——它破壞的是準確度;你靠校準來打敗它。隨機誤差則讓讀數不可預測地散開,破壞的是精密度;你靠多次取平均來壓低它。這正是系統誤差與隨機誤差的核心。