談測(cè)量的科學(xué)精神

陳祝富

摘要：人們進(jìn)行測(cè)量無(wú)法完全準(zhǔn)確，因?yàn)槭艿絽⒄瘴锞鹊南拗?、測(cè)量手段的限制、測(cè)量環(huán)境的限制、測(cè)量者條件的限制，誤差不可能避免。

關(guān)鍵詞：測(cè)量 ；精度 ；科學(xué)精神； 力求精確； 如實(shí)記錄

標(biāo)準(zhǔn)的參照物 + 科學(xué)的對(duì)比方法 = 準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果

測(cè)量的科學(xué)精神“力求精確、如實(shí)記錄”這個(gè)原則，應(yīng)該貫穿標(biāo)準(zhǔn)參照物制造、測(cè)量方法使用和測(cè)量結(jié)果記錄的全過(guò)程。

引言：我們常常進(jìn)行測(cè)量，精確的或者估測(cè)的，但是較少有人對(duì)測(cè)量進(jìn)行深入的探究：探究其原理、意義和精神。這部分內(nèi)容的缺少，是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的遺憾，也是部分學(xué)生不尊重實(shí)驗(yàn)、不尊重?cái)?shù)據(jù)的原因之一。本文嘗試對(duì)物理實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量環(huán)節(jié)各要素的進(jìn)行初略描述，以對(duì)其蘊(yùn)含的科學(xué)精神進(jìn)行粗淺的探討。

正文：科學(xué)精神是人們?cè)陂L(zhǎng)期的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中形成的共同信念、價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)和行為規(guī)范的總稱(chēng)。科學(xué)精神就是指由科學(xué)性質(zhì)所決定并貫穿于科學(xué)活動(dòng)之中的基本的精神狀態(tài)和思維方式，是體現(xiàn)在科學(xué)知識(shí)中的思想或理念。它一方面約束科學(xué)家的行為，是科學(xué)家在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)取得成功的保證；另一方面，又逐漸地滲入大眾的意識(shí)深層。

人們認(rèn)識(shí)世界是漸進(jìn)的，從相信盤(pán)古開(kāi)天辟地到探討宇宙奧秘。人們不斷追求真理，竭盡所能去了解世界的真相，伴隨著的就是思想、方法的不斷進(jìn)步。其中，從定性到定量的跨越，應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)意義重大的里程碑。人們力求準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)世界，開(kāi)始了測(cè)量工具和測(cè)量方法的不斷革新，奠定了現(xiàn)代科技發(fā)展的基礎(chǔ)。

怎樣認(rèn)識(shí)世界？怎樣描述物體？大小、長(zhǎng)短、冷熱、輕重……需要標(biāo)準(zhǔn)參照物來(lái)進(jìn)行對(duì)比。但是，早期的標(biāo)準(zhǔn)參照物設(shè)置上是比較隨意的，往往是基于當(dāng)權(quán)者的個(gè)人創(chuàng)意，接下來(lái)便是以行政手段進(jìn)行強(qiáng)制性的推廣，幾乎各國(guó)各地均如此。（比如，中國(guó)的尺，自古至今變化多次，讓我們對(duì)古文中的長(zhǎng)度描述時(shí)常無(wú)法適應(yīng)。）以長(zhǎng)度為例，大家熟悉的英尺，是英國(guó)國(guó)王查理的腳的長(zhǎng)度（難怪叫feet）。碼，是英國(guó)國(guó)王亨利的鼻子到中指的距離。英寸，就是一節(jié)大拇指的長(zhǎng)度。當(dāng)然，這也無(wú)可厚非。筆者在學(xué)生中做了一個(gè)測(cè)試，在沒(méi)有尺的情境下，突然要求他們測(cè)量桌子長(zhǎng)寬高。學(xué)生不約而同地選擇用自己的手來(lái)參照。

世界各地的當(dāng)然人的大拇指的長(zhǎng)度是長(zhǎng)短不一的。14世紀(jì)時(shí)，英皇愛(ài)德華二世頒布了“標(biāo)準(zhǔn)合法英寸”。其規(guī)定為：從大麥穗中間選擇三粒最大的麥粒并依次排成一行的長(zhǎng)度就是一英寸。筆者很樂(lè)意將此理解為主觀的標(biāo)準(zhǔn)走向客觀標(biāo)準(zhǔn)的一次努力，盡管世界各地的麥穗也不會(huì)相同。循著這樣一個(gè)思路，選取什么物體，才能制定出全世界的人都能接受的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)呢？地球。只有地球是全人類(lèi)共有的。1790年5月由法國(guó)科學(xué)家組成的特別委員會(huì)，建議以通過(guò)巴黎的地球子午線全長(zhǎng)的四千萬(wàn)分之一作為長(zhǎng)度單位，米（注）。海拔高度、零電勢(shì)也以同樣的思路進(jìn)行定義。直到1960年才建立了國(guó)際單位制。

至此，才有了我們習(xí)以為常的準(zhǔn)確測(cè)量的第一個(gè)要素——標(biāo)準(zhǔn)的參照物。

我們可以開(kāi)始科學(xué)的測(cè)量了?？茖W(xué)精神在測(cè)量環(huán)節(jié)中可以表達(dá)為：力求精確、如實(shí)記錄。

為什么精確只能是力求呢？人們進(jìn)行測(cè)量無(wú)法完全準(zhǔn)確，因?yàn)槭艿絽⒄瘴锞鹊南拗啤y(cè)量手段的限制、測(cè)量環(huán)境的限制、測(cè)量者條件的限制，誤差不可能避免。

參照物精度的限制很容易理解，最小刻度為1cm和最小刻度為1mm的兩把尺子，測(cè)量的精度是不一樣的。也因此，人們?cè)诓煌纫笙逻x用不同的測(cè)量?jī)x器（就是標(biāo)準(zhǔn)參照物）刻度尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器等。

測(cè)量手段的限制，造成了系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)偏離方向單一，由測(cè)量原理決定。舉兩個(gè)常見(jiàn)的例子：

比如，學(xué)生發(fā)現(xiàn)到某體檢中心測(cè)身高總是偏大，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，原因是該醫(yī)生太矮，且采取簡(jiǎn)單用手掌按頭直接讀數(shù)，由于測(cè)量時(shí)視線總是傾斜造成數(shù)據(jù)偏大。最簡(jiǎn)單的解決方案：讓該醫(yī)生墊一張小凳子。

再比如：使用伏安法測(cè)電阻。外接法中，測(cè)量值R測(cè)=URIR+IV

內(nèi)接法中，測(cè)量值R測(cè)=UR+UAIR>URIR=R真

以上問(wèn)題是由電路連接方式?jīng)Q定的，如堅(jiān)持連接該連接方案、堅(jiān)持簡(jiǎn)單使用歐姆定律R=UI，那么使用再高精度的電表都沒(méi)用。解決方案一，用數(shù)學(xué)手段剔除電表內(nèi)阻的影響。例，若已知電流表電阻，將外接法的測(cè)量結(jié)果減去RA即可。解決方案二，更換實(shí)驗(yàn)原理，比如電橋法。當(dāng)靈敏電流計(jì)沒(méi)有示數(shù)時(shí)，R1R2=R3RX

測(cè)量環(huán)境的限制，這點(diǎn)也很容易理解。比如，測(cè)量一批廢紙的重量，在雨季的測(cè)量結(jié)果總會(huì)比在晴朗天氣的測(cè)量結(jié)果偏大。測(cè)量一根金屬桿的長(zhǎng)度，考慮到熱脹冷縮，環(huán)境溫度也將是影響測(cè)量精度的原因。

測(cè)量者條件限制，我們通常將其影響歸入偶然誤差的范疇，認(rèn)為通過(guò)多次測(cè)量求平均值可以盡量消除。但實(shí)際上，這個(gè)問(wèn)題或許是更多元的。首先，由于每個(gè)人對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、測(cè)量需要理解程度不一，因此在測(cè)量時(shí)將有不同的表現(xiàn)，對(duì)測(cè)量精度造成影響。再進(jìn)一步，假定測(cè)量人員的素質(zhì)都足夠高、對(duì)實(shí)驗(yàn)要求理解也足夠。還存在個(gè)人習(xí)慣的問(wèn)題，比如，慣用左手和右手，慣用左眼和右眼，如無(wú)針對(duì)性的舉措，都將在事實(shí)上對(duì)測(cè)量的結(jié)果有一定的影響，并且很可能是單向的。

綜上，我們?cè)谶M(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，誤差不可能避免，只能盡力減少了。那么，測(cè)量的科學(xué)精神的另一句話：如實(shí)記錄。又當(dāng)如何理解？?jī)蓚€(gè)方面，一是尊重事實(shí)，不弄虛作假。一是注重有效數(shù)字的規(guī)范處理。

測(cè)量既然總有誤差，測(cè)得的數(shù)值就只能是近似值。例如用毫米刻度尺，測(cè)量書(shū)本的長(zhǎng)度，測(cè)得的結(jié)果是184.3mm ，其中數(shù)字“184”是精確值，最末一個(gè)數(shù)字“3”是估計(jì)出來(lái)的，是不可靠數(shù)字。其中的思考流程大概是這樣的：

首先我們可以確定的，184mm< L <185mm，于是我們可以負(fù)責(zé)任地寫(xiě)上184，然后我們估計(jì)L大概在184mm和185mm的三分之一位置于是我們最終記錄下184.3mm。

同樣的物體如果換用最小刻度為2mm的刻度尺，那么依據(jù)如實(shí)記錄的原則，我們將進(jìn)行如下的思考流程：

首先我們只能確定，184mm< L <186mm，于是我們陷入了麻煩，因?yàn)殡m然仍可以估計(jì)L大概在184mm和186mm的五分之一位置，但事實(shí)上我們無(wú)法證明L小于185mm，于是我們只好將記錄終止于1mm這位上，而無(wú)法估讀至下一位。

于是我們最終記錄下184mm（或者185mm，這就是個(gè)人的處理了，屬于剛才敘述的“測(cè)量者的條件”限制）。

分析上述的思考流程，將會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們遵循的就是“力求精確，如實(shí)記錄”的原則。這樣的原則，同樣運(yùn)用至螺旋測(cè)微器、電流表、電壓表等所有的測(cè)量?jī)x器，便成了測(cè)量的科學(xué)精神。就跟各項(xiàng)法律制定所依據(jù)的法理原則一樣，測(cè)量的科學(xué)精神貫穿所有測(cè)量過(guò)程。

最后將測(cè)量的本質(zhì)以下等式進(jìn)行體現(xiàn)：

標(biāo)準(zhǔn)的參照物 + 科學(xué)的對(duì)比方法 = 準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果

測(cè)量的科學(xué)精神“力求精確、如實(shí)記錄”這個(gè)原則，應(yīng)該貫穿標(biāo)準(zhǔn)參照物制造、測(cè)量方法使用和測(cè)量結(jié)果記錄的全過(guò)程。

注：隨著人們對(duì)度量衡學(xué)的認(rèn)識(shí)加深，米的長(zhǎng)度的定義幾經(jīng)修改。從1983年至今，米的長(zhǎng)度被定義為“光在真空中于1/299792458秒內(nèi)行進(jìn)的距離”。

參考文獻(xiàn)：

[1]《測(cè)量學(xué)》同濟(jì)大學(xué)出版社

[2]《測(cè)量學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí) 》測(cè)繪出版社

[3]《科學(xué)精神的形成》江蘇教育出版社

（作者單位：福建省晉江市養(yǎng)正中學(xué) 362261）