伏安法測電阻和電功率實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理和分析

羅臘春

（宣城市第六中學(xué)，安徽 宣城 242000）

用電壓表、電流表測電阻和測電功率是電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的兩個基本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中都牽涉到電表的讀數(shù)、有效數(shù)字的計(jì)算、誤差及誤差分析等相關(guān)理論.

1 電壓表與電流表的讀數(shù)規(guī)則

實(shí)驗(yàn)室常見的是指針式J0407型電流表和J0408型電壓表，準(zhǔn)確度等級一般是2.5級，表示出正常情況下電表的基本誤差，即在任何示值時示值與標(biāo)準(zhǔn)值之差與電表滿度值的百分比都不超過±2.5%.電流表有0.6A和3A兩個量程，電壓表有3V和15V兩個量程.若使用0～0.6A量程的電流表，其最大誤差為0.6×2.5%A＝0.015A，誤差出現(xiàn)在百分位，只讀到安培的百分位，而此時最小刻度為0.02A，可估讀半個刻度到0.01A，不足半小格的估讀為0.01A，超過半小格的估讀到0.02A.以安培為單位讀數(shù)時，小數(shù)點(diǎn)后面有兩位數(shù)字，百分位上的數(shù)字可能為0、1、2、3、4、…8、9，估計(jì)到千分位則是毫無意義的.若使用0～3A量程的電流表，其最大誤差為3×2.5%A＝0.075A，誤差出現(xiàn)在百分位，此時電流表的最小刻度是0.1A，因此可估讀到百分位即0.01A.若使用0～3V電壓表，情況與0～3A電流表相同.若使用0～15V量程，其最大誤差為15×2.5%V＝0.375V，誤差出現(xiàn)在十分位，此時電壓表最小刻度值為0.5V，因此可估讀到0.1V.以伏特為單位讀數(shù)時，十分位上的數(shù)字可能為0、1、2、3、…9.可以看出量程為0.6A 的電流表和量程為15V的電壓表，讀數(shù)時容易出錯.最小分度為“2”或“5”的儀器，測量誤差出現(xiàn)在同一位上，同一位分別按1/2和1/5估讀.

圖1中，若以0～15V量程讀數(shù)，指針指在這兩條刻度線的中間某個位置，則可根據(jù)指針靠近兩刻度線的程度，分別讀作10.1V、10.2V、10.3V 或10.4V，即使是指在正中央，也不能讀成10.25V，若這樣，則會出現(xiàn)兩位不準(zhǔn)確的數(shù)，即小數(shù)點(diǎn)后的2和5，不符合讀數(shù)規(guī)則.

圖2（a）以0～0.6A量程讀數(shù)，指針不足半小格，應(yīng)讀作0.51A；圖2（b）以0～0.6A量程讀數(shù)，指針超過半小格，應(yīng)讀作0.52A.

圖1

圖2

2 有效數(shù)字與有效數(shù)字的運(yùn)算

在物理實(shí)驗(yàn)中，任何一個物理量的測量數(shù)據(jù)中總包含兩個部分，一部分是從儀器的刻度上讀出的，叫可靠數(shù)字；另一部分是在儀器最小刻度以下由人估計(jì)出的數(shù)字，叫做可疑數(shù)字.如10V中10V，0.5A中0.5A是可靠數(shù)字，而0V和0.0A是可疑數(shù)字.可靠數(shù)字和可疑數(shù)字，都有物理意義，我們總稱為有效數(shù)字.有效數(shù)字一方面表示了被測物理量的數(shù)值，同時它還表示了測量儀器的精密程度.

在確定有效數(shù)字時，應(yīng)該注意下面3點(diǎn)：其一，“0”在數(shù)據(jù)的位置不同，性質(zhì)也不同.如5.036mm中的“0”是可靠數(shù) 字，而40.98mm 中 的 “”是 可 疑 數(shù) 字，另 外0.0125cm中的“0.0”只是表示有效數(shù)字的數(shù)量級，不是有效數(shù)字；其二，有效數(shù)字的位數(shù)不因單位換算而增減，如40.98mm可以寫成4.0980cm 或0.040980m，有效數(shù)字仍是5位；其三，一般記錄時，為了避免用“0”表示小數(shù)點(diǎn)的位數(shù)，常把結(jié)果寫成標(biāo)準(zhǔn)形式，如把0.04980m寫成4.980×10－2m.

有效數(shù)字的運(yùn)算應(yīng)該符合“四舍六入五成雙”規(guī)則，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的這種修約規(guī)則與通常數(shù)學(xué)計(jì)算的“四舍五入”規(guī)則不同.通常的“四舍五入”是“見四就舍”“見五就入”.而現(xiàn)在介紹的規(guī)則是“小于五就舍”“大于五就入”，而恰好等于五時應(yīng)用偶數(shù)法則.換句話說，若以保留數(shù)字的末位為單位，它后面的數(shù)大于0.5者，末位進(jìn)一；小于0.5者，末位不變；恰好為0.5者，則使末位湊成偶數(shù)，即末位為奇數(shù)，在（1、3、5、7、9）時進(jìn)一，在（0、2、4、6、8）時舍棄.這里采用偶數(shù)法則，一方面是因?yàn)榕紨?shù)除法常能除盡，可以減少計(jì)算上的誤差；另一方面是按此規(guī)則舍入時，當(dāng)被加數(shù)的個數(shù)很多的情況下，正負(fù)舍入誤差出現(xiàn)的機(jī)會相等，而在總和中，舍入誤差將被抵消.

例如：將下列數(shù)舍入到小數(shù)第一位

12.344→12.3（因?yàn)?.044＜0.050，所以舍去）

12.351→12.4（因?yàn)?.051＞0.050，所以進(jìn)一位）

12.450→12.4（因?yàn)?.050＝0.050，按偶數(shù)法則偶舍奇進(jìn)）

12.350→12.4（因?yàn)?.050＝0.050，按偶數(shù)法則偶舍奇進(jìn)）

由上例可以看出，每個數(shù)據(jù)經(jīng)過舍入后，除末位外均可靠，只有末位數(shù)欠準(zhǔn)確（可疑）且其舍入誤差不大于0.5（以舍入后數(shù)字的末位為單位），此0.5即為舍入誤差的極限誤差，又稱為最大誤差或誤差限.

有效數(shù)字的運(yùn)算都遵從這樣一個原則：可靠數(shù)字間的運(yùn)算結(jié)果仍然為可靠數(shù)字，可靠數(shù)字與可疑數(shù)字或可疑數(shù)字與可疑數(shù)字間的運(yùn)算結(jié)果仍為可疑數(shù)字，但是進(jìn)位數(shù)為可靠數(shù)字，最后結(jié)果只保留一位可疑數(shù)字，多余的可疑數(shù)字可以根據(jù)“四舍六入五成雙”的規(guī)則去掉，現(xiàn)舉例說明如下.

有效數(shù)字的加減，例如

從上例中可以看到諸數(shù)相加減時，結(jié)果中小數(shù)點(diǎn)保留的位數(shù)與諸數(shù)中小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)最少的一個相同.如被加數(shù)中小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)最少的是17.2，小數(shù)點(diǎn)后面只有一位，結(jié)果27.中小數(shù)點(diǎn)后面也只有一位.

有效數(shù)字的乘法和除法，例如

對數(shù)與對數(shù)函數(shù)的運(yùn)算時，對數(shù)函數(shù)lgx的尾數(shù)與x的位數(shù)相同.

例如lg100＝2.000；

因此幾個數(shù)相乘（或相除）時，乘積（或商）的所保留的位數(shù)與因子中位數(shù)最少的一個相同，這一結(jié)論在大多數(shù)情況下是正確的.但是對于首位數(shù)是大于或等于8的，在進(jìn)行乘除運(yùn)算時，有效數(shù)字的位數(shù)可以多算一位.例如8.2 7是3位數(shù)，可看著4位.0.981 2是4位，可看做5位.關(guān)于這一點(diǎn)只適用乘除.

有了上面介紹的運(yùn)算規(guī)則，我們就可以得到電阻或電功率的正確值了.

例如，第1組數(shù)據(jù)U＝10.V，I＝0.5A（電壓表選用0～15V量程，電流表選用0～0.6A量程），則

第二組數(shù)據(jù)U＝8V，I＝1.2A（電壓表選用0～15V量程，電流表選用0～3A量程），則R＝＝6.8293Ω＝6.8 3Ω（8.4V中首位是8，應(yīng)看做3位有效數(shù)字），

3 誤差的來源與分析

在測電阻和電功率實(shí)驗(yàn)同時存在兩種誤差，一是系統(tǒng)誤差，二是偶然誤差.

本實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)誤差主要來源兩個方面：其一，實(shí)驗(yàn)室中常見的電流表和電壓表是永磁動圈式結(jié)構(gòu)（用符號 表示）.動圈所處的輻射狀磁場不均勻，動圈指針系統(tǒng)的重心偏離轉(zhuǎn)動軸，游絲的扭轉(zhuǎn)力矩不嚴(yán)格與扭轉(zhuǎn)角度成正比，表盤分度不均勻，刻度弧線的圓心和指針的轉(zhuǎn)動軸不重合，以上綜合表現(xiàn)為線性不良.軸和軸承的摩擦造成市值變動性誤差，如每次斷電后不能都回零，當(dāng)電流緩慢增加或減小到同一值時，指針的市值卻有些不同.磁鋼退磁，溫度升高時鋼絲繞成的動圈電阻增加大于錳銅絲制成的分流電阻的增加，改變了分流比，這些都將使示值偏小.其二，電流表與電壓表在接入電路中時，如果以被測電阻為研究對象，當(dāng)電流表接于電壓表內(nèi)側(cè)時稱為電流表的內(nèi)接法，因電流表電阻有分壓作用，使得電壓測量值大于真實(shí)值；當(dāng)電流表接于電壓表外側(cè)時稱為電流表的外接法，因電壓表電阻有分流作用，使得電流表測量值大于真實(shí)值.這種因電表本身固有以及測量方法的不完善形成的誤差都是系統(tǒng)誤差.

偶然誤差主要也有兩個方面：游絲彈性疲勞，外界磁場干擾也造成誤差，如學(xué)生電表未加磁屏蔽，相互靠近時示值都將發(fā)生變化.這些變化著的周圍事物使實(shí)驗(yàn)過程中所發(fā)生的現(xiàn)象起變化，并引起實(shí)驗(yàn)電表精密程度變化.其次，由于受到人們感官的限制，每次讀數(shù)的不準(zhǔn)確而產(chǎn)生的不可避免的誤差都是偶然誤差.

1 GB—T8170—2008（5）中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)字修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示與判斷.