在实验数据计算中,我们需要考虑到最后结果中的误差或不确定性。为了方便估算这种不确定性,我们常常使用有效数字的方法。有效数字的主要优点是省去了计算真实不确定性的麻烦,特别是在根据不可测误差进行不确定性计算时。当然,有效数字的一个主要缺点是只能得到一个粗略的不确定性估计,但在大多数情况下,这样的估计已经足够。因此,有效数字被广泛应用。
科学家通常将有效数字定义为:在确定的数字后面加上一位不确定的数字。例如,在使用天平称量物体时,我们可以确定数字10.746,但是最后一位小数是根据读取指针刻度或游码标尺估计的,所以最终记录为10.7463。最后一位数字是不确定的,或者在单个读数中为±1,如果考虑到两次读数的差,则为±2。在这个数值中,六位数字都是有效数字。
在表示分析数据时,一个重要的原则是只使用有效数字。使用过多或过少的数字可能会导致对实验数据精确度的误解。例如,如果将一个体积记录为1.234ml,人们会误解为滴定管上的刻度间隔为0.01ml,而第三位小数是根据两个刻度之间的估计读取的。如果从一个普通的50ml滴定管上读取同样的体积,只能估计到第二位小数,因为刻度间隔为0.1ml。所以,读数应该不超过三位数字,例如1.23ml。
关于数字0在数值中的作用,它可能是有效数字,也可能不是有效数字。在一个滴定管读数中,例如10.06ml,两个零都是测量的,所以它们是有效数字;这个数值包含四个有效数字。如果上述体积用升来表示,就是0.01006升。改变体积的单位并不增加有效数字。小数点前后相邻的两个零只起到定位的作用,所以它们都不是有效数字。末尾的零是有效数字。例如,在10.2050g中,有六位有效数字。当需要使用末尾零作为小数点的合适定位时,可以使用十的方次,以避免有效数字位数的混淆。例如,一个重量为24.0mg,有效数字为三位,如果用微克表示,不应该写成24,000,因为后两个零不是有效数字,而应该写成24.0×10^3或2.40×10^4来确定。
计算法则
在分析工作的计算中,为了使结果能够反映分析工作的准确度和精密度,我们应该遵守以下计算法则:
(一)一切直接测量或计算得到的数值,最后一位是不确定数字,其余都是确定的(可靠的)。
在舍去多余的不确定数字时,采用四舍六入五成双法。即当被舍弃数字的第一位小于5时,保留数字的末一位不变;当被舍弃数字的第一位大于5时,保留数字的末一位数加1;当被舍弃数字恰好为5时,如果保留数字的末一位为奇数,则加1;如果为偶数(零为偶数),则保留不变。
(二)当进行加法和减法时,结果数值的小数点后的位数应与位数最少的数值相同。
(三)当进行乘法和除法时,结果数值的精密度应与精密度最低的数值相同(即有效数字位数最少的数值)。这个规则的依据是:系统误差会直接传递到乘除的结果中,分析结果的相对误差是各个测量步骤相对误差的代数和。
例如,计算60.3+1.05-0.162的结果:
因为在上述数值中,小数点后最少的是一位数,所以结果应该表示为61.2。
再例如,计算21.1×0.029×83.2的结果:
21.1×0.029×83.2=50.91008
数值0.029是最不精密的,精密度约为30中的一分,该数值的有效数字位数为2,所以结果应为51。