談測量的科學精神

陳祝富

摘要：人們進行測量無法完全準確，因為受到參照物精度的限制、測量手段的限制、測量環境的限制、測量者條件的限制，誤差不可能避免。

關鍵詞：測量 ；精度 ；科學精神； 力求精確； 如實記錄

標準的參照物 + 科學的對比方法 = 準確的測量結果

測量的科學精神“力求精確、如實記錄”這個原則，應該貫穿標準參照物制造、測量方法使用和測量結果記錄的全過程。

引言：我們常常進行測量，精確的或者估測的，但是較少有人對測量進行深入的探究：探究其原理、意義和精神。這部分內容的缺少，是物理實驗教學的遺憾，也是部分學生不尊重實驗、不尊重數據的原因之一。本文嘗試對物理實驗中的測量環節各要素的進行初略描述，以對其蘊含的科學精神進行粗淺的探討。

正文：科學精神是人們在長期的科學實踐活動中形成的共同信念、價值標準和行為規范的總稱。科學精神就是指由科學性質所決定并貫穿于科學活動之中的基本的精神狀態和思維方式，是體現在科學知識中的思想或理念。它一方面約束科學家的行為，是科學家在科學領域內取得成功的保證；另一方面，又逐漸地滲入大眾的意識深層。

人們認識世界是漸進的，從相信盤古開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、方法的不斷進步。其中，從定性到定量的跨越，應該說是一個意義重大的里程碑。人們力求準確地認識世界，開始了測量工具和測量方法的不斷革新，奠定了現代科技發展的基礎。

怎樣認識世界？怎樣描述物體？大小、長短、冷熱、輕重……需要標準參照物來進行對比。但是，早期的標準參照物設置上是比較隨意的，往往是基于當權者的個人創意，接下來便是以行政手段進行強制性的推廣，幾乎各國各地均如此。（比如，中國的尺，自古至今變化多次，讓我們對古文中的長度描述時常無法適應。）以長度為例，大家熟悉的英尺，是英國國王查理的腳的長度（難怪叫feet）。碼，是英國國王亨利的鼻子到中指的距離。英寸，就是一節大拇指的長度。當然，這也無可厚非。筆者在學生中做了一個測試，在沒有尺的情境下，突然要求他們測量桌子長寬高。學生不約而同地選擇用自己的手來參照。

世界各地的當然人的大拇指的長度是長短不一的。14世紀時，英皇愛德華二世頒布了“標準合法英寸”。其規定為：從大麥穗中間選擇三粒最大的麥粒并依次排成一行的長度就是一英寸。筆者很樂意將此理解為主觀的標準走向客觀標準的一次努力，盡管世界各地的麥穗也不會相同。循著這樣一個思路，選取什么物體，才能制定出全世界的人都能接受的統一標準呢？地球。只有地球是全人類共有的。1790年5月由法國科學家組成的特別委員會，建議以通過巴黎的地球子午線全長的四千萬分之一作為長度單位，米（注）。海拔高度、零電勢也以同樣的思路進行定義。直到1960年才建立了國際單位制。

至此，才有了我們習以為常的準確測量的第一個要素——標準的參照物。

我們可以開始科學的測量了。科學精神在測量環節中可以表達為：力求精確、如實記錄。

為什么精確只能是力求呢？人們進行測量無法完全準確，因為受到參照物精度的限制、測量手段的限制、測量環境的限制、測量者條件的限制，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，測量的精度是不一樣的。也因此，人們在不同精度要求下選用不同的測量儀器（就是標準參照物）刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器等。

測量手段的限制，造成了系統誤差。系統誤差的特點是數據偏離方向單一，由測量原理決定。舉兩個常見的例子：

比如，學生發現到某體檢中心測身高總是偏大，經研究發現，原因是該醫生太矮，且采取簡單用手掌按頭直接讀數，由于測量時視線總是傾斜造成數據偏大。最簡單的解決方案：讓該醫生墊一張小凳子。

再比如：使用伏安法測電阻。外接法中，測量值R測=URIR+IV

內接法中，測量值R測=UR+UAIR>URIR=R真

以上問題是由電路連接方式決定的，如堅持連接該連接方案、堅持簡單使用歐姆定律R=UI，那么使用再高精度的電表都沒用。解決方案一，用數學手段剔除電表內阻的影響。例，若已知電流表電阻，將外接法的測量結果減去RA即可。解決方案二，更換實驗原理，比如電橋法。當靈敏電流計沒有示數時，R1R2=R3RX

測量環境的限制，這點也很容易理解。比如，測量一批廢紙的重量，在雨季的測量結果總會比在晴朗天氣的測量結果偏大。測量一根金屬桿的長度，考慮到熱脹冷縮，環境溫度也將是影響測量精度的原因。

測量者條件限制，我們通常將其影響歸入偶然誤差的范疇，認為通過多次測量求平均值可以盡量消除。但實際上，這個問題或許是更多元的。首先，由于每個人對實驗原理、測量需要理解程度不一，因此在測量時將有不同的表現，對測量精度造成影響。再進一步，假定測量人員的素質都足夠高、對實驗要求理解也足夠。還存在個人習慣的問題，比如，慣用左手和右手，慣用左眼和右眼，如無針對性的舉措，都將在事實上對測量的結果有一定的影響，并且很可能是單向的。

綜上，我們在進行測量的時候，誤差不可能避免，只能盡力減少了。那么，測量的科學精神的另一句話：如實記錄。又當如何理解？兩個方面，一是尊重事實，不弄虛作假。一是注重有效數字的規范處理。

測量既然總有誤差，測得的數值就只能是近似值。例如用毫米刻度尺，測量書本的長度，測得的結果是184.3mm ，其中數字“184”是精確值，最末一個數字“3”是估計出來的，是不可靠數字。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，于是我們可以負責任地寫上184，然后我們估計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，那么依據如實記錄的原則，我們將進行如下的思考流程：

首先我們只能確定，184mm< L <186mm，于是我們陷入了麻煩，因為雖然仍可以估計L大概在184mm和186mm的五分之一位置，但事實上我們無法證明L小于185mm，于是我們只好將記錄終止于1mm這位上，而無法估讀至下一位。

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

分析上述的思考流程，將會發現，我們遵循的就是“力求精確，如實記錄”的原則。這樣的原則，同樣運用至螺旋測微器、電流表、電壓表等所有的測量儀器，便成了測量的科學精神。就跟各項法律制定所依據的法理原則一樣，測量的科學精神貫穿所有測量過程。

最后將測量的本質以下等式進行體現：

標準的參照物 + 科學的對比方法 = 準確的測量結果

測量的科學精神“力求精確、如實記錄”這個原則，應該貫穿標準參照物制造、測量方法使用和測量結果記錄的全過程。

注：隨著人們對度量衡學的認識加深，米的長度的定義幾經修改。從1983年至今，米的長度被定義為“光在真空中于1/299792458秒內行進的距離”。

參考文獻：

[1]《測量學》同濟大學出版社

[2]《測量學實驗與實習 》測繪出版社

[3]《科學精神的形成》江蘇教育出版社

（作者單位：福建省晉江市養正中學 362261）