forked from EduCraft/curriculum-project-hub
feat: add curated curriculum agent skills
This commit is contained in:
@@ -0,0 +1,72 @@
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name: data-processing-spec
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description: 物理竞赛实验「数据处理」的两套作答规范——超严格版与考试版。当用户要出实验数据处理题、或要求题目答案/解析"按考试版写""按超严格版写""按严格规范作答",或问"什么是考试版/严格版""不确定度取几位""不确定度怎么修约""连算代入哪个值""拟合要不要算 B 类"等数据处理口径问题时使用。出题与批改时据此确定唯一口径。
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# 数据处理作答规范(超严格版 / 考试版)
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物理竞赛实验数据处理里,有效数字取位、不确定度修约、连算代入、拟合是否计 B 类等环节
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**各家做法不一致**。为避免"同一份数据出现多个都对的答案",本课程把这些争议点各拍板成
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两套自洽的口径:
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| 版本 | 用途 | 一句话特征 |
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|------|------|-----------|
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| **超严格版** | 严格训练 | 每一步贴近误差理论最规范做法,接受较繁的计算量 |
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| **考试版** | 考试 / 日常训练 | 在规范前提下简化计算,贴近竞赛复赛阅卷习惯 |
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## 怎么用这个 skill
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1. **先确定版本。** 用户出题或批改时通常会说明"按考试版"还是"按超严格版"。
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- 用户明确指定 → 用该版。
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- 用户没指定 → **必须先问**用户要哪一版,不要自己默认。两版在四处刻意不同,
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选错会给出末位不同的答案。
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2. **读对应规范全文,再动手。** 选定版本后,完整阅读对应文件,按其中每一条口径生成
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题目答案 / 解析 / 评分点:
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- 超严格版 → [strict-spec.md](strict-spec.md)
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- 考试版 → [exam-spec.md](exam-spec.md)
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3. **全程只认一版。** 一道题(含所有小问)自始至终用同一版口径,不得中途混用。
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4. **需要解释"为什么有两版""某争议点各方怎么做"时** → 读 [disputes.md](disputes.md)
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(中立罗列各方做法与依据,不拍板)。
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## 两版差异一览(仅这四处不同)
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下面四项是两版**唯一的区别**;其余约定两版完全一致(见下一节)。出题/批改时重点核对这四项。
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| 争议环节 | 超严格版 | 考试版 |
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|----------|----------|--------|
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| **不确定度取几位有效数字** | 首位为 1/2/3 取 2 位,其余取 1 位(A2) | 一律取 1 位(A1) |
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| **不确定度的修约方向** | 只进不舍(偏保守,代表:北大) | 四舍六入五凑偶(代表:中科大、第 42 届复赛) |
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| **多小问连算代入哪个值** | 代入前一问**未修约的真实值**,仅终值修约 | 代入前一问**已修约的填空值**,接受逐问舍入 |
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| **线性拟合不确定度** | A 类 + B 类合成(需算 `u_Bk = u_By / √Σ(xi−x̄)²`) | 只算 A 类(`u_k = σ_k`) |
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> 测量值(中心值)的修约:**两版都用四舍六入五凑偶**——这一条不是差异项。
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## 两版共同约定(不随版本变化)
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- **A 类不确定度**:取平均值的实验标准差 `u_A = √[Σ(xi−x̄)² / (n(n−1))]`,**不做 t 因子修正**。
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- **B 类不确定度**:`u_B = Δ仪 / √3`(仪器误差限按均匀分布折算)。合成 `u = √(u_A² + u_B²)`。
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- **单次测量**:不假设 A 类不确定度为无穷大,**直接以仪器误差限估算**该次测量不确定度
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(取 `u = Δ仪 / √3`)。出处:实验指导书"杨氏模量"实验对单次测量量的处理;措辞以本组
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实际指导书为准。
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- **有效数字总原则**:测量值位数必须与不确定度对齐——不确定度精确到哪一位,测量值就写到哪一位。
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||||
- **线性拟合 A 类**:斜率相对不确定度 `σ_k / k = √[ (1/(n−2)) · (1/γ² − 1) ]`(γ 为相关系数)。
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## 出题/批改自检清单
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确定版本后,逐项对照所选规范,确保答案在这些点上口径一致:
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- [ ] A 类是否用了"不做 t 修正"的标准差公式
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- [ ] B 类是否 `Δ仪/√3`;单次测量是否用仪器误差限
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- [ ] 不确定度取了几位(A2 还是 A1)—— **按版本**
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- [ ] 不确定度末位修约方向(只进不舍 / 四舍六入五凑偶)—— **按版本**
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- [ ] 测量值是否与不确定度对齐、是否用四舍六入五凑偶
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- [ ] 多小问连算代入的是真实值还是修约值 —— **按版本**
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- [ ] 线性拟合是否计 B 类 —— **按版本**
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- [ ] 全卷是否始终只用了这一版口径
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## 配套 PDF 源码
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`scripts/` 下保留了两版规范与争议点讨论的 Typst 源码,仅作为内容参考。当前 Educraft Agent
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运行时不提供独立 `typst` 命令,不要尝试直接编译这些脚本,也不要安装运行时依赖。用户需要
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成品 PDF 时,明确说明当前能力边界;若内容要进入课程工程,应按 `lesson-project` 的 cph
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0.0.2 结构落地并使用 `cph check/build`。
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@@ -0,0 +1,51 @@
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# 数据处理争议点(中立罗列,不拍板)
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本文件解释"为什么会有超严格版 / 考试版两套口径"——每个环节各家做法不一致,本课程把它们各
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拍板成两版。这里**只中立罗列各方做法与依据**,不评对错。需要给学生/教练讲清来龙去脉时引用。
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## 共同约定(无争议前提)
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- A 类不确定度:实验标准差,**不做 t 因子修正**。
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- B 类不确定度:`u_B = Δ仪 / √3`(均匀分布)。
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- 测量值修约:四舍六入五凑偶。
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- 有效数字总原则:测量值位数跟着不确定度走(对齐)。
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- 单次测量:以仪器误差限估算,不假设 A 类无穷大(出处:实验指导书"杨氏模量"部分)。
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## 争议点 A:不确定度取几位有效数字
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||||
- **A1(考试版采用)**:一律 1 位。如 `0.034→0.03`、`0.12→0.1`。
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||||
- **A2(超严格版采用)**:首位为 1/2/3 时取 2 位,其余取 1 位。如 `0.123→0.12`、`0.67→0.7`。
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||||
- 分歧本质:修约不确定度本身引入的相对误差能容忍多大;A2 为压低该相对误差而保留 2 位。
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## 争议点 B:有效数字"反向多取一位"变体
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- 设 `u=0.03`,再看测量值对齐位数字:≥3(如 1.87)正常对齐写 `(1.87±0.03)`;以 1/2/3 等更小
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数起头(如 1.81)则允许测量值再多取一位、不确定度也反向多取一位 → `(1.812±0.034)`。
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- 与 A1/A2 不完全等价,是 A 的一个更细变体。本课程两版都未采用此变体(统一走 A1 或 A2),
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列出仅供识别学生可能用到的写法。
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## 争议点 C:不确定度本身如何修约
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- **只进不舍(超严格版采用)**:末位一律进位,报告值偏保守。代表:北京大学。
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- **四舍六入五凑偶(考试版采用)**:与测量值同一规则。代表:中国科学技术大学、第 42 届复赛。
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- 提示:第 42 届全国中学生物理竞赛复赛对不确定度采用四舍六入五凑偶。
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## 争议点 D:多小问连算代入哪个值
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- **代入未修约真实值(超严格版采用)**:用完整精度中间量,仅终值修约;避免舍入误差传播,
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误差理论上更规范。
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- **代入已修约填空值(考试版采用)**:用前一问写出来的修约值;便于逐问复算、阅卷可追溯。
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- 两者数值通常只差最后一两位,边界情形可能影响终值末位。
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## 争议点 E:线性拟合是否计入 B 类
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- A 类无争议:`σ_k/k = √[ (1/(n−2))·(1/γ²−1) ]`。
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- **只算 A 类(考试版采用)**:直接 `u_k=σ_k`;相当多题目/教材实际只算 A 类,且常不说明理由。
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||||
- **A 类 + B 类合成(超严格版采用)**:把斜率写成 `k=Σci·yi`,`ci=(xi−x̄)/Σ(xj−x̄)²`,
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得 `u_Bk = u_By / √(Σ(xi−x̄)²)`,再 `u_k=√(σ_k²+u_Bk²)`。
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||||
- 为何常省略 B 类:点多、Σ(xi−x̄)² 大时 u_Bk 往往远小于 σ_k 被淹没——但这只是近似经验,非普遍成立。
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## 速查对照
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| 编号 | 争议内容 | 超严格版 | 考试版 |
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|------|----------|----------|--------|
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| A | 不确定度取几位 | 首位 1/2/3 取 2 位(A2) | 一律 1 位(A1) |
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| C | 不确定度修约方向 | 只进不舍 | 四舍六入五凑偶 |
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| D | 连算代入值 | 未修约真实值 | 已修约填空值 |
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| E | 拟合是否计 B 类 | A 类 + B 类合成 | 只算 A 类 |
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> B 项(反向多取一位变体)两版均不采用,故不在版本差异表内。
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@@ -0,0 +1,73 @@
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# 数据处理规范 · 考试版
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> 用于**考试与日常训练**。在保证规范性的前提下**简化计算**(不确定度一律 1 位、拟合只算 A 类、
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> 逐问代入修约值),贴近竞赛复赛阅卷习惯。评分以本规范为唯一口径。与超严格版在四处刻意不同
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> (有效数字取位、不确定度修约方向、连算代入值、拟合是否计 B 类)——同一份数据两版可能给出
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||||
> 末位不同的答案,**全程只认本版,不可混用**。
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## 共同约定(两版一致)
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### A 类不确定度
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多次测量,取平均值的实验标准差:
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```
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u_A = √[ Σ(xi − x̄)² / (n(n−1)) ]
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```
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- **不做 t 因子修正**,直接以上式为 u_A。
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### B 类不确定度
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- `u_B = Δ仪 / √3`(仪器误差限按均匀分布折算)。
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- 合成:`u = √(u_A² + u_B²)`。
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### 单次测量
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- 不假设 A 类不确定度为无穷大,**直接以仪器误差限估算**该次测量不确定度,取 `u = Δ仪 / √3`。
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- 出处批注:依据实验指导书"杨氏模量"实验对单次测量量的处理;措辞以本组实际指导书为准。
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## 有效数字与修约(本版选定口径)
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### 有效数字总原则
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- 测量值(中心值)的位数**必须与不确定度对齐**:不确定度精确到哪一位,测量值就写到哪一位。
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### 不确定度取几位有效数字 —— 统一 1 位
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- **不确定度一律保留 1 位有效数字**(无论首位是几)。测量值随之对齐到该位。
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- 示例:`u=0.123 → 0.1`,测量值 `1.8127 → 1.8`,记为 `(1.8 ± 0.1)`;`u=0.067 → 0.07`,对齐到该位。
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### 测量值的修约 —— 四舍六入五凑偶
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- 测量值采用"四舍六入五凑偶"(逢四舍、逢六入、逢五凑偶)。
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### 不确定度的修约 —— 四舍六入五凑偶
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- 不确定度也采用"四舍六入五凑偶",与测量值同一规则。
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- 提示:第 42 届全国中学生物理竞赛复赛对不确定度即采用四舍六入五凑偶。本版选此口径以贴近
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近年复赛阅卷习惯(代表:中科大、第 42 届复赛)。
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## 多小问连算 —— 代入上一问修约后的结果
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- 后一问用到前一问结果时,**代入前一问已修约、写进答题处的那个值**进行计算。
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即接受每问修约带来的舍入误差,换取逐问可复算、便于阅卷。
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- 示例:杨氏模量第 1 问报告 `d = 1.8 mm`;第 2 问算 E 时**直接代入 1.8 mm**(而非未修约的 1.8127…)。
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## 线性拟合 —— 只算 A 类
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设 `y = k x + b`。
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- **斜率只计 A 类不确定度,不计 B 类。** 斜率相对不确定度由相关系数 γ 给出:
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```
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σ_k / k = √[ (1/(n−2)) · (1/γ² − 1) ]
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```
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- 即 `u_k = σ_k`,直接作为斜率不确定度上报。
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- 说明:数据点多、Σ(xi−x̄)² 较大时拟合的 B 类分量通常远小于 A 类而可忽略,本版据此**只算 A 类**
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以简化计算;如需完整合成请改用超严格版。
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## 速查(考试版口径)
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| 项目 | 本版做法 |
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|------|----------|
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| A 类不确定度 | 实验标准差,不做 t 修正 |
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| B 类不确定度 | Δ仪 / √3 |
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| 单次测量 | 以仪器误差限估算 |
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| 有效数字 | 不确定度一律 1 位 |
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| 测量值修约 | 四舍六入五凑偶 |
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| 不确定度修约 | 四舍六入五凑偶 |
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| 连算代入 | 代入上一问修约后的结果 |
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| 线性拟合 | 只算 A 类 |
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@@ -0,0 +1,83 @@
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// 共享样式与语义框:两份规范(超严格版 / 考试版)共用
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||||
#let rule-color = rgb("#0b4f6c")
|
||||
#let note-color = rgb("#6a4c00")
|
||||
#let warn-color = rgb("#b3261e")
|
||||
|
||||
// 规范条目框(蓝色):本规范选定的做法
|
||||
#let rule(body) = block(
|
||||
width: 100%,
|
||||
inset: 10pt,
|
||||
radius: 4pt,
|
||||
fill: rgb("#eaf2f6"),
|
||||
stroke: (left: 3pt + rule-color),
|
||||
body,
|
||||
)
|
||||
|
||||
// 批注 / 出处框(黄色)
|
||||
#let sidenote(body) = block(
|
||||
width: 100%,
|
||||
inset: 9pt,
|
||||
radius: 4pt,
|
||||
fill: rgb("#fbf6e8"),
|
||||
stroke: (left: 3pt + note-color),
|
||||
text(size: 9.5pt, body),
|
||||
)
|
||||
|
||||
// 提醒框(红色)
|
||||
#let warn(body) = block(
|
||||
width: 100%,
|
||||
inset: 9pt,
|
||||
radius: 4pt,
|
||||
fill: rgb("#fdeeec"),
|
||||
stroke: (left: 3pt + warn-color),
|
||||
text(size: 9.5pt, body),
|
||||
)
|
||||
|
||||
// 例子框(灰色)
|
||||
#let example(body) = block(
|
||||
width: 100%,
|
||||
inset: 9pt,
|
||||
radius: 4pt,
|
||||
fill: rgb("#f3f3f3"),
|
||||
stroke: (left: 3pt + rgb("#999")),
|
||||
text(size: 9.5pt, body),
|
||||
)
|
||||
|
||||
// 全局配置 + 封面
|
||||
#let conf(title: "", subtitle: "", badge: "", badge-color: rgb("#0b4f6c"), doc) = {
|
||||
set document(title: title, author: "竞赛实验教研组")
|
||||
set page(
|
||||
paper: "a4",
|
||||
margin: (top: 2.4cm, bottom: 2.4cm, left: 2.4cm, right: 2.4cm),
|
||||
numbering: "1 / 1",
|
||||
number-align: center,
|
||||
)
|
||||
set text(font: ("Noto Serif CJK SC",), size: 10.5pt, lang: "zh", region: "cn")
|
||||
set par(justify: true, leading: 0.85em, first-line-indent: (amount: 2em, all: true))
|
||||
show heading: set text(font: ("Noto Sans CJK SC",))
|
||||
show heading: set block(above: 1.2em, below: 0.7em)
|
||||
set heading(numbering: "1.1")
|
||||
show math.equation: set text(font: "New Computer Modern Math")
|
||||
|
||||
// 封面
|
||||
align(center)[
|
||||
#v(3cm)
|
||||
#box(
|
||||
inset: (x: 12pt, y: 6pt),
|
||||
radius: 6pt,
|
||||
fill: badge-color,
|
||||
text(font: ("Noto Sans CJK SC",), size: 13pt, weight: "bold", fill: white, badge),
|
||||
)
|
||||
#v(0.9cm)
|
||||
#text(font: ("Noto Sans CJK SC",), size: 24pt, weight: "bold", title)
|
||||
#v(0.5cm)
|
||||
#text(size: 13pt, fill: rgb("#555"), subtitle)
|
||||
#v(1.4cm)
|
||||
#text(size: 11pt)[竞赛实验数据处理 · 评分口径规范]
|
||||
#v(0.3cm)
|
||||
#text(size: 10pt, fill: rgb("#777"))[供教练出题与学生研读使用]
|
||||
]
|
||||
pagebreak()
|
||||
doc
|
||||
}
|
||||
@@ -0,0 +1,311 @@
|
||||
// 物理竞赛中数据处理的争议点讨论
|
||||
// 定位:争议点讨论为主,只中立罗列各方做法,不给本课程拍板结论。
|
||||
|
||||
#set document(title: "物理竞赛中数据处理的争议点讨论", author: "竞赛实验教研组")
|
||||
|
||||
// ---------- 字体与页面 ----------
|
||||
#set page(
|
||||
paper: "a4",
|
||||
margin: (top: 2.4cm, bottom: 2.4cm, left: 2.4cm, right: 2.4cm),
|
||||
numbering: "1 / 1",
|
||||
number-align: center,
|
||||
)
|
||||
|
||||
#set text(
|
||||
font: ("Noto Serif CJK SC",),
|
||||
size: 10.5pt,
|
||||
lang: "zh",
|
||||
region: "cn",
|
||||
)
|
||||
#set par(justify: true, leading: 0.85em, first-line-indent: (amount: 2em, all: true))
|
||||
#show heading: set text(font: ("Noto Sans CJK SC",))
|
||||
#show heading: set block(above: 1.2em, below: 0.7em)
|
||||
#set heading(numbering: "1.1")
|
||||
|
||||
// 数学字体不指定 CJK,公式用默认 New Computer Modern Math
|
||||
#show math.equation: set text(font: "New Computer Modern Math")
|
||||
|
||||
// ---------- 一些可复用的语义框 ----------
|
||||
#let dispute-color = rgb("#b3261e")
|
||||
#let calm-color = rgb("#1b5e20")
|
||||
#let note-color = rgb("#6a4c00")
|
||||
|
||||
// 无争议约定框
|
||||
#let agreed(body) = block(
|
||||
width: 100%,
|
||||
inset: 10pt,
|
||||
radius: 4pt,
|
||||
fill: rgb("#eef6ee"),
|
||||
stroke: (left: 3pt + calm-color),
|
||||
body,
|
||||
)
|
||||
|
||||
// 争议点框
|
||||
#let dispute(body) = block(
|
||||
width: 100%,
|
||||
inset: 10pt,
|
||||
radius: 4pt,
|
||||
fill: rgb("#fdeeec"),
|
||||
stroke: (left: 3pt + dispute-color),
|
||||
body,
|
||||
)
|
||||
|
||||
// 批注 / 出处框
|
||||
#let sidenote(body) = block(
|
||||
width: 100%,
|
||||
inset: 9pt,
|
||||
radius: 4pt,
|
||||
fill: rgb("#fbf6e8"),
|
||||
stroke: (left: 3pt + note-color),
|
||||
text(size: 9.5pt, body),
|
||||
)
|
||||
|
||||
// 各方做法的小标签
|
||||
#let school(name) = box(
|
||||
inset: (x: 5pt, y: 1.5pt),
|
||||
radius: 3pt,
|
||||
fill: rgb("#e8eef7"),
|
||||
text(size: 9pt, weight: "bold", name),
|
||||
)
|
||||
|
||||
// ============================================================
|
||||
// 封面
|
||||
// ============================================================
|
||||
#align(center)[
|
||||
#v(3.2cm)
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#text(font: ("Noto Sans CJK SC",), size: 24pt, weight: "bold")[
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物理竞赛中数据处理的\
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争议点讨论
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#v(0.6cm)
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#text(size: 13pt, fill: rgb("#555"))[—— 不确定度、有效数字与拟合的多种规范对照 ——]
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#v(1.4cm)
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#text(size: 11pt)[竞赛实验数据处理 · 教研与教学参考]
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#v(0.4cm)
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#text(size: 10pt, fill: rgb("#777"))[供教练备课与学生研读使用]
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#pagebreak()
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// 阅读说明
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= 这份文档怎么读
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本文档的目的,是把竞赛实验数据处理中那些"两种甚至多种做法都在流传、却没有统一答案"的地方一次性摆清楚。它*不是*一份判定对错的评分标准,而是一份*争议点对照表*:
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- 凡是本领域已有共识、几乎不会引起争论的内容,归入 #text(fill: calm-color)[*"约定"*](绿色框),作为后续讨论的共同前提;
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- 凡是各家(教材、命题、竞赛习惯)做法不一致的地方,单列为 #text(fill: dispute-color)[*"争议点"*](红色框),并尽量中立地列出每一方的做法与其依据;
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- 个别需要交代来源或加以提醒的内容,用#text(fill: note-color)[*批注框*](黄色框)标出。
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#sidenote[
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*关于"中立"。* 本文档对每个争议点*只罗列、不拍板*。哪一套规则作为本课程或某次测验的评分口径,由教练在使用时另行约定并提前告知学生——这一点务必在出题或考试前说清楚,否则同一份数据会出现多个"都对"的答案。
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// 第一部分:共同约定
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= 共同约定(基本无争议)
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下面几条在我们的处理体系里是稳定的前提,先固定下来,后面讨论争议时不再反复。
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== A 类不确定度
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多次测量下,A 类不确定度按样本标准差给出(贝塞尔公式给出的实验标准差,再除以 $sqrt(n)$ 得到平均值的标准不确定度):
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$ u_A = s(overline(x)) = sqrt(frac(sum_(i=1)^n (x_i - overline(x))^2, n(n-1))) $
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#agreed[
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*约定 1:A 类不确定度不做 $t$ 因子(学生 $t$ 分布)修正。* 即直接以上式作为 $u_A$,不再乘以与测量次数有关的 $t$ 因子或包含因子。这是本体系的固定口径。
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== B 类不确定度(多次测量)
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B 类不确定度由仪器误差限 $Delta_"仪"$ 给出,按均匀分布折算:
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$ u_B = frac(Delta_"仪", sqrt(3)) $
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#agreed[
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*约定 2:B 类不确定度 $= Delta_"仪" \/ sqrt(3)$。* 这里取 $sqrt(3)$ 对应仪器误差在 $plus.minus Delta_"仪"$ 区间内服从均匀分布的假设。
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]
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合成不确定度按方和根:$u = sqrt(u_A^2 + u_B^2)$。
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== 测量值的修约方式
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#agreed[
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*约定 3:测量值(中心值)一律采用"四舍六入五凑偶"修约。* 即逢四舍、逢六入,逢五时看前一位凑成偶数。注意:这一条只针对*测量值*;不确定度本身怎么修约是有争议的(见 @sec:round-u)。
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#agreed[
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*约定 4:测量值的位数必须与不确定度对齐。* 不确定度精确到哪一位,测量值就写到哪一位,不多写也不少写。换言之,*有效数字跟着不确定度走*——这是整个有效数字问题的总原则。争议只在于"不确定度本身取几位"以及"末位怎么修约"。
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// 第二部分:单次测量
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= 单次测量的特别约定
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多次测量时 A 类、B 类各司其职。但有时只做*单次测量*,此时不能简单地认为"没有重复测量,A 类不确定度就趋于无穷大、结果无法估计"。
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#agreed[
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*约定 5(单次测量):单次测量时,直接用仪器误差限来估算该次测量的不确定度*,即把 $Delta_"仪" \/ sqrt(3)$(或按所采用规范直接用 $Delta_"仪"$)作为这一次测量结果的不确定度,而*不*假设 A 类不确定度为无穷大。
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#sidenote[
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*出处批注。* 此约定的依据来自*实验指导书中"杨氏模量"实验*的相应章节——该实验对某些只测一次的量(如仪器读数类的单次量)即采用"以仪器误差限估算单次测量误差"的处理。使用本文档时,若所在教学体系的指导书版本不同,请以本组实际采用的指导书"杨氏模量"部分为准核对此条措辞。
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]
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// 第三部分:争议点
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= 争议点
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以下每一条都没有"唯一正确"的答案。请教练在使用前选定口径并告知学生。
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== 争议点 A:不确定度取几位有效数字 <sec:u-digits>
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总原则没有争议(约定 4:测量值跟着不确定度对齐)。争议在于*不确定度本身*保留几位有效数字。
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#dispute[
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*做法 A1:不确定度一律取 1 位有效数字。*
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无论首位是几,不确定度都只写 1 位。例如 $u = 0.034 → 0.03$,$u = 0.12 → 0.1$。对应测量值也只对齐到该位。
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*做法 A2:首位为 1、2、3 时取 2 位有效数字,其余取 1 位。*
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当不确定度首位较小(1、2、3)时,只留 1 位会带来较大的相对截断,故允许保留 2 位。例如 $u = 0.123 → 0.12$(首位 1,取 2 位),而 $u = 0.67 → 0.7$(首位 6,取 1 位)。
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]
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#sidenote[
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A1 与 A2 的分歧本质,是"修约不确定度本身引入的相对误差能容忍多大"。A2 的"1/2/3 取两位"正是为压低这一相对误差而设。两套都很常见,命题时必须二选一并写明。
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]
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== 争议点 B:有效数字的"反向多取一位"变体 <sec:reverse-digit>
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这是争议点 A 的一个更细的变体,单独列出,因为它对测量值写法的影响最直接。
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#dispute[
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*做法 B("看测量值末位决定是否多取一位"):*
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设不确定度形如 $u = 0.03$。再看测量值在对齐位上的数字:
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- 若该位数字 $>= 3$(如测量值 $= 1.87$,末位 7),则*正常对齐*,写成 $(1.87 plus.minus 0.03)$;
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- 若该位数字以 1、2、3 这类较小数字开头(如测量值 $= 1.81$),则*允许测量值再多取一位*,并*相应地让不确定度也反向多取一位*,写成 $(1.81 plus.minus 0.03) → (1.812 plus.minus 0.034)$ 之类。
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]
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#sidenote[
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做法 B 的动机与 A2 一致——都是为了在数值较小时避免过度修约损失精度,只不过 B 是"由测量值末位反推是否多留一位,并让不确定度跟着多留一位"。它与 A1/A2 不完全等价,使用时要明确到底以哪条为准,避免学生在同一题里混用三套规则。
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]
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== 争议点 C:不确定度本身如何修约 <sec:round-u>
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测量值用四舍六入五凑偶已是约定(约定 3)。但*不确定度*的修约方向有分歧。
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#dispute[
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*做法 C1(只进不舍 / 向上取整):* 不确定度修约时一律*只进不舍*,即末位无论被舍去的部分是多少都进位,使报告的不确定度偏保守(偏大)。
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#v(0.3em)
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代表口径:#school[北京大学]
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*做法 C2(四舍六入五凑偶):* 不确定度与测量值一样,采用四舍六入五凑偶修约。
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#v(0.3em)
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代表口径:#school[中国科学技术大学] #school[第 42 届物理竞赛复赛]
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#sidenote[
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*特别提示:* 第 42 届全国中学生物理竞赛复赛对不确定度采用的是*四舍六入五凑偶*(即做法 C2)。若以贴近近年竞赛复赛阅卷习惯为目标,这一点值得在教学时强调;但日常训练里两种都可能遇到,仍以"出题时声明口径"为准。
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]
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== 争议点 D:多小问连算时,代入哪一个值 <sec:carry-value>
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一道大题常有多个小问,前一问的结果会被后一问用到。典型如杨氏模量:第 1 问先求直径 $d$(含不确定度),第 2 问再用 $d$ 求杨氏模量 $E$。问题是:算 $E$ 时代入哪个 $d$?
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#dispute[
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*做法 D1(代入未修约的"真实值"):* 用第 1 问计算过程中得到的*完整精度的 $d$*(小数点后很多位、未做修约)代入后续计算,最后只在终值处统一修约。
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#v(0.3em)
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依据:修约只应在*最终报告*时进行;中途代入修约值会引入*舍入误差*并逐级传播。从误差理论看这是更规范的做法。
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*做法 D2(代入第 1 问已修约的填空值):* 用第 1 问*答题卡上已经修约、写进横线里的那个 $d$*(如 $d = 1.81 "mm"$)代入后续计算。
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#v(0.3em)
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依据:答题与阅卷的可追溯性——后一问的结果应当能由前一问"写出来的答案"复现;某些阅卷口径据此判分。
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]
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#sidenote[
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D1 是误差理论上更干净的做法(避免人为舍入误差累积),D2 则更贴合"按填写值逐问复算"的阅卷便利。两者在数值上通常只差最后一两位,但在边界情形可能影响终值修约后的末位。出题时应明确要求学生采用哪一种,并保持全卷一致。
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]
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== 争议点 E:线性拟合是否计入 B 类不确定度 <sec:fit>
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线性拟合 $y = k x + b$ 中,斜率 $k$ 的*A 类*不确定度有成熟公式,无争议;争议在于*要不要再算 B 类并合成*。
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=== A 类(无争议部分)
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斜率的 A 类相对不确定度可由相关系数 $gamma$ 表示:
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$ frac(sigma_k, k) = sqrt(frac(1, n-2) (frac(1, gamma^2) - 1)) $
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其中 $gamma$ 为线性相关系数,$n$ 为数据点个数。这是线性拟合 A 类不确定度的常用表达,本身不引起争议。
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#agreed[
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*无争议:* 线性拟合斜率的 A 类不确定度套用上面的 $sigma_k \/ k$(用 $gamma$ 表示)公式。
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=== 争议:要不要再加 B 类
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#dispute[
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*做法 E1(只算 A 类,不计 B 类):* 直接以拟合给出的 $sigma_k$ 作为斜率不确定度,不再考虑各测量点仪器误差带来的 B 类分量。
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#v(0.3em)
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现状:*相当多的题目与教材实际上只算 A 类*,而且常常*没有把"为什么忽略 B 类"说清楚*——这正是混乱的来源。
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*做法 E2(A 类与 B 类合成):* 认为每个测量点都带有 B 类不确定度,应推导出斜率的 B 类分量后与 A 类方和根合成。
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#v(0.3em)
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现状:原则上更完整,但*少见教材给出现成公式*,需要自行推导(见下)。
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]
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=== 线性拟合 B 类不确定度的推导(供采用 E2 时参考)
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考虑最小二乘斜率的标准表达
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$ k = frac(sum_(i) (x_i - overline(x))(y_i - overline(y)), sum_(i) (x_i - overline(x))^2) = frac(sum_i (x_i - overline(x)) y_i, sum_i (x_i - overline(x))^2). $
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把 $k$ 看成各 $y_i$ 的线性组合 $k = sum_i c_i y_i$,其中权重
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$ c_i = frac(x_i - overline(x), sum_j (x_j - overline(x))^2). $
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若每个 $y_i$ 带有相互独立的 B 类不确定度 $u_(B,y)$(由纵轴量的仪器误差限给出,$u_(B,y) = Delta_("仪",y) \/ sqrt(3)$,且各点近似相同),按不确定度传播:
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$ u_(B,k) = sqrt(sum_i c_i^2 u_(B,y)^2) = u_(B,y) sqrt(sum_i c_i^2) = frac(u_(B,y), sqrt(sum_i (x_i - overline(x))^2)). $
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即*斜率的 B 类不确定度等于纵轴单点 B 类不确定度,除以自变量的"离差平方和的平方根"* $sqrt(sum_i (x_i-overline(x))^2)$。
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如横轴量 $x$ 的仪器误差也不可忽略,可类似地把它折算到 $y$ 方向(乘以斜率 $k$)后并入 $u_(B,y)$;此处从略。最终斜率的合成不确定度为
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$ u_k = sqrt(sigma_k^2 + u_(B,k)^2). $
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#sidenote[
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*为什么会有 E1 这种"只算 A 类"的现状?* 当数据点较多、且离差平方和 $sum_i (x_i-overline(x))^2$ 较大时,$u_(B,k) = u_(B,y) \/ sqrt(sum_i (x_i-overline(x))^2)$ 往往远小于 A 类的 $sigma_k$,于是 B 类被"淹没"而省略。但这只是*近似成立的经验*,并非普遍正确——所以是否计入 B 类、以及是否声明忽略理由,仍是一个需要出题时明确的争议点。
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// 速查表
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#pagebreak()
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= 争议点速查表
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#table(
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columns: (auto, 1fr, 1fr),
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inset: 8pt,
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align: (left + horizon, left, left),
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stroke: 0.5pt + rgb("#cccccc"),
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fill: (_, row) => if row == 0 { rgb("#e8eef7") } else { white },
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table.header(
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[*编号*], [*争议内容*], [*主要分歧 / 代表口径*],
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),
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[A], [不确定度取几位有效数字], [A1 一律 1 位 / A2 首位为 1·2·3 时取 2 位],
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[B], [有效数字"反向多取一位"变体], [测量值末位 ≥3 正常对齐;以 1·2·3 起更小时,测量值与不确定度同时多取一位],
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[C], [不确定度本身如何修约], [C1 只进不舍(北大) / C2 四舍六入五凑偶(中科大、第 42 届复赛)],
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[D], [多小问连算代入哪个值], [D1 代入未修约真实值(误差理论更规范) / D2 代入第一问已修约的填空值(便于复算阅卷)],
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[E], [线性拟合是否计入 B 类], [E1 只算 A 类(常见但常不说明理由) / E2 A 类与 B 类合成(需自行推导 $u_(B,k)=u_(B,y)\/sqrt(sum (x_i-overline(x))^2)$)],
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)
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#v(0.6em)
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#sidenote[
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*使用建议:* 每次出题或测验前,针对表中 A–E 各项各选定一种口径,连同"A 类不做 $t$ 修正""$u_B=Delta_"仪"\/sqrt(3)$""单次测量以仪器误差限估算"等约定一并写在卷首说明里。口径一旦公布,全卷保持一致,避免同一份数据出现多个"都对"的答案。
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]
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@@ -0,0 +1,115 @@
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#import "conf.typ": conf, rule, sidenote, warn, example
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#show: conf.with(
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title: "数据处理规范\n考试版",
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subtitle: "—— 贴近竞赛阅卷习惯、计算量适中的实用口径 ——",
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badge: "考试版",
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badge-color: rgb("#0b4f6c"),
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)
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= 规范定位
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本规范用于*考试与日常训练*场景,在保证规范性的前提下*简化计算*(不确定度一律 1 位、拟合只算 A 类、逐问代入修约值),贴近竞赛复赛的阅卷习惯。学生应严格按本规范作答;评分以本规范为唯一口径。
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#warn[
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本规范与《超严格版》在四处刻意不同(有效数字取位、不确定度修约方向、连算代入值、拟合是否计 B 类)。同一份数据在两版下可能给出末位不同的答案,*出题与作答务必只认其中一版*,不可混用。
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]
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= 共同约定(两版一致)
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== A 类不确定度
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多次测量,A 类不确定度取平均值的实验标准差:
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$ u_A = sqrt(frac(sum_(i=1)^n (x_i - overline(x))^2, n(n-1))) $
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#rule[*A 类不确定度不做 $t$ 因子修正*,直接以上式为 $u_A$。]
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== B 类不确定度
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#rule[*B 类不确定度 $u_B = Delta_"仪" \/ sqrt(3)$*(仪器误差限按均匀分布折算)。]
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合成:$u = sqrt(u_A^2 + u_B^2)$。
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== 单次测量
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#rule[
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*单次测量*时,不假设 A 类不确定度为无穷大,*直接以仪器误差限估算该次测量的不确定度*(取 $u = Delta_"仪" \/ sqrt(3)$)。
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]
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#sidenote[
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||||
*出处批注:* 此条依据实验指导书"杨氏模量"实验对单次测量量的处理。使用时以本组实际采用的指导书"杨氏模量"部分为准核对措辞。
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]
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= 有效数字与修约(本版选定口径)
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== 有效数字总原则
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#rule[*测量值(中心值)的位数必须与不确定度对齐*:不确定度精确到哪一位,测量值就写到哪一位。]
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== 不确定度取几位有效数字 —— 统一 1 位
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#rule[
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*不确定度一律保留 1 位有效数字*(无论首位是几)。测量值随之对齐到该位。
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]
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#example[
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$u = 0.123 → 0.1$,测量值 $1.8127 → 1.8$,记为 $(1.8 plus.minus 0.1)$; $u = 0.067 → 0.07$,对齐到该位。
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]
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||||
== 测量值的修约 —— 四舍六入五凑偶
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#rule[*测量值采用"四舍六入五凑偶"修约*(逢四舍、逢六入、逢五凑偶)。]
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== 不确定度的修约 —— 四舍六入五凑偶
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#rule[
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*不确定度也采用"四舍六入五凑偶"修约*,与测量值同一规则。
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]
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#sidenote[
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*提示:* 第 42 届全国中学生物理竞赛复赛对不确定度即采用四舍六入五凑偶。本版选此口径以贴近近年复赛阅卷习惯(代表:中科大、第 42 届复赛)。
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]
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= 多小问连算 —— 代入上一问修约后的结果
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#rule[
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大题分多小问、后一问要用到前一问结果时,*代入前一问已修约、写进答题处的那个值*进行计算。即*接受每一问修约带来的舍入误差*,换取逐问可复算、便于阅卷。
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]
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||||
#example[
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||||
杨氏模量:第 1 问报告 $d = 1.8 "mm"$。第 2 问算 $E$ 时*直接代入 $d = 1.8 "mm"$*(而非未修约的 $1.8127...$)。
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]
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||||
= 线性拟合 —— 只算 A 类
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||||
设 $y = k x + b$。
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#rule[
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||||
*线性拟合斜率只计 A 类不确定度,不计 B 类。* 斜率相对不确定度由相关系数 $gamma$ 给出:
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||||
$ frac(sigma_k, k) = sqrt(frac(1, n-2) (frac(1, gamma^2) - 1)). $
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||||
即 $u_k = sigma_k$,直接作为斜率不确定度上报。
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]
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||||
#sidenote[
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||||
当数据点较多、自变量离差平方和 $sum_i (x_i-overline(x))^2$ 较大时,拟合的 B 类分量通常远小于 A 类而可忽略。本版据此*只算 A 类*以简化计算;如需完整合成请改用《超严格版》。
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]
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||||
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||||
= 速查(考试版口径)
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||||
#table(
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||||
columns: (auto, 1fr),
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||||
inset: 8pt,
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||||
align: (left + horizon, left),
|
||||
stroke: 0.5pt + rgb("#cccccc"),
|
||||
fill: (_, row) => if row == 0 { rgb("#e3edf2") } else { white },
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||||
table.header([*项目*], [*本版做法*]),
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||||
[A 类不确定度], [实验标准差,不做 $t$ 修正],
|
||||
[B 类不确定度], [$Delta_"仪" \/ sqrt(3)$],
|
||||
[单次测量], [以仪器误差限估算],
|
||||
[有效数字], [不确定度一律 1 位],
|
||||
[测量值修约], [四舍六入五凑偶],
|
||||
[不确定度修约], [四舍六入五凑偶],
|
||||
[连算代入], [代入上一问修约后的结果],
|
||||
[线性拟合], [只算 A 类],
|
||||
)
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||||
@@ -0,0 +1,130 @@
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||||
#import "conf.typ": conf, rule, sidenote, warn, example
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||||
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#show: conf.with(
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||||
title: "数据处理规范\n超严格版",
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||||
subtitle: "—— 每一步都按误差理论最规范的方法处理 ——",
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badge: "超严格版",
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||||
badge-color: rgb("#7a1f1f"),
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||||
)
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||||
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= 规范定位
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||||
本规范用于*严格训练*场景,目标是让每一步都贴近误差理论上最规范的做法,*接受较繁的计算量以换取处理的严谨性*。学生应严格按本规范作答;评分以本规范为唯一口径。
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||||
|
||||
#warn[
|
||||
本规范与《考试版》在四处刻意不同(有效数字取位、不确定度修约方向、连算代入值、拟合是否计 B 类)。同一份数据在两版下可能给出末位不同的答案,*出题与作答务必只认其中一版*,不可混用。
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||||
]
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||||
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||||
= 共同约定(两版一致)
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== A 类不确定度
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||||
多次测量,A 类不确定度取平均值的实验标准差:
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||||
$ u_A = sqrt(frac(sum_(i=1)^n (x_i - overline(x))^2, n(n-1))) $
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||||
#rule[*A 类不确定度不做 $t$ 因子修正*,直接以上式为 $u_A$。]
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||||
== B 类不确定度
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||||
#rule[*B 类不确定度 $u_B = Delta_"仪" \/ sqrt(3)$*(仪器误差限按均匀分布折算)。]
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合成:$u = sqrt(u_A^2 + u_B^2)$。
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== 单次测量
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#rule[
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||||
*单次测量*时,不假设 A 类不确定度为无穷大,*直接以仪器误差限估算该次测量的不确定度*(取 $u = Delta_"仪" \/ sqrt(3)$)。
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]
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||||
#sidenote[
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||||
*出处批注:* 此条依据实验指导书"杨氏模量"实验对单次测量量的处理。使用时以本组实际采用的指导书"杨氏模量"部分为准核对措辞。
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]
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= 有效数字与修约(本版选定口径)
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== 有效数字总原则
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#rule[*测量值(中心值)的位数必须与不确定度对齐*:不确定度精确到哪一位,测量值就写到哪一位。]
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== 不确定度取几位有效数字 —— 采用 A2
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#rule[
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||||
*不确定度首位为 1、2、3 时保留 2 位有效数字;首位为 4\~9 时保留 1 位。*
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]
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||||
#example[
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||||
$u = 0.123 → 0.12$(首位 1,取 2 位); $u = 0.067 → 0.07$(首位 6,取 1 位); $u = 0.28 → 0.28$(首位 2,取 2 位)。
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||||
]
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||||
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||||
== 测量值的修约 —— 四舍六入五凑偶
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||||
#rule[*测量值一律采用"四舍六入五凑偶"修约*(逢四舍、逢六入、逢五凑偶)。]
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||||
== 不确定度的修约 —— 只进不舍
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||||
#rule[
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||||
*不确定度修约时一律"只进不舍"*:在保留位之后只要有非零数字(乃至向上保守),末位即进位,使报告的不确定度偏保守(偏大)。
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||||
]
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||||
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||||
#example[
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||||
$u = 0.121 → 0.13$(保留 2 位,末位进 1); $u = 0.341 → 0.4$(保留 1 位,进位)。
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]
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#sidenote[
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||||
"只进不舍"是较保守的口径(代表:北京大学)。它确保报告的不确定度不会因修约而偏小。
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]
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= 多小问连算 —— 代入未修约真实值
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#rule[
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||||
大题分多小问、后一问要用到前一问结果时,*一律代入前一问计算所得的完整精度数值(未修约的"真实值")*,仅在每问*最终报告*时按上面的规则修约。中途不得代入已修约的填空值。
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||||
]
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#example[
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||||
杨氏模量:第 1 问算得 $d = 1.8127... "mm"$(报告时修约为 $1.81 "mm"$)。第 2 问算 $E$ 时*代入 $d = 1.8127...$*,而非 $1.81$,避免逐级累积舍入误差。
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]
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= 线性拟合 —— A 类与 B 类合成
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||||
设 $y = k x + b$。
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== A 类
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斜率 A 类相对不确定度由相关系数 $gamma$ 表示:
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$ frac(sigma_k, k) = sqrt(frac(1, n-2) (frac(1, gamma^2) - 1)) $
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||||
== B 类(本版必须计入)
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||||
把斜率写成各 $y_i$ 的线性组合 $k = sum_i c_i y_i$,权重 $c_i = (x_i - overline(x)) \/ sum_j (x_j - overline(x))^2$。设各点纵轴 B 类不确定度近似相同、为 $u_(B,y) = Delta_("仪",y)\/sqrt(3)$,按传播:
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||||
|
||||
$ u_(B,k) = u_(B,y) sqrt(sum_i c_i^2) = frac(u_(B,y), sqrt(sum_i (x_i - overline(x))^2)). $
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||||
#rule[
|
||||
*斜率不确定度取 A 类与 B 类的方和根*:
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||||
$ u_k = sqrt(sigma_k^2 + u_(B,k)^2), wide u_(B,k) = frac(u_(B,y), sqrt(sum_i (x_i - overline(x))^2)). $
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||||
]
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||||
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||||
#sidenote[
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||||
若横轴量 $x$ 的仪器误差不可忽略,可乘以斜率 $k$ 折算到 $y$ 方向后并入 $u_(B,y)$。当数据点多、$sum_i (x_i-overline(x))^2$ 大时 $u_(B,k)$ 往往很小,但本版*不因此省略*,一律计入。
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||||
]
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||||
= 速查(超严格版口径)
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#table(
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columns: (auto, 1fr),
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inset: 8pt,
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||||
align: (left + horizon, left),
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||||
stroke: 0.5pt + rgb("#cccccc"),
|
||||
fill: (_, row) => if row == 0 { rgb("#f0e6e6") } else { white },
|
||||
table.header([*项目*], [*本版做法*]),
|
||||
[A 类不确定度], [实验标准差,不做 $t$ 修正],
|
||||
[B 类不确定度], [$Delta_"仪" \/ sqrt(3)$],
|
||||
[单次测量], [以仪器误差限估算],
|
||||
[有效数字], [首位 1/2/3 取 2 位,其余 1 位(A2)],
|
||||
[测量值修约], [四舍六入五凑偶],
|
||||
[不确定度修约], [只进不舍],
|
||||
[连算代入], [代入未修约真实值],
|
||||
[线性拟合], [A 类 + B 类合成],
|
||||
)
|
||||
@@ -0,0 +1,85 @@
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||||
# 数据处理规范 · 超严格版
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||||
> 用于**严格训练**。目标:每一步贴近误差理论上最规范的做法,**接受较繁的计算量以换取严谨性**。
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||||
> 评分以本规范为唯一口径。与考试版在四处刻意不同(有效数字取位、不确定度修约方向、连算代入值、
|
||||
> 拟合是否计 B 类)——同一份数据两版可能给出末位不同的答案,**全程只认本版,不可混用**。
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||||
## 共同约定(两版一致)
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### A 类不确定度
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多次测量,取平均值的实验标准差:
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```
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u_A = √[ Σ(xi − x̄)² / (n(n−1)) ]
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```
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||||
- **不做 t 因子修正**,直接以上式为 u_A。
|
||||
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||||
### B 类不确定度
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- `u_B = Δ仪 / √3`(仪器误差限按均匀分布折算)。
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||||
- 合成:`u = √(u_A² + u_B²)`。
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||||
### 单次测量
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||||
- 不假设 A 类不确定度为无穷大,**直接以仪器误差限估算**该次测量不确定度,取 `u = Δ仪 / √3`。
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||||
- 出处批注:依据实验指导书"杨氏模量"实验对单次测量量的处理;措辞以本组实际指导书为准。
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||||
|
||||
## 有效数字与修约(本版选定口径)
|
||||
|
||||
### 有效数字总原则
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||||
- 测量值(中心值)的位数**必须与不确定度对齐**:不确定度精确到哪一位,测量值就写到哪一位。
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||||
|
||||
### 不确定度取几位有效数字 —— 采用 A2
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||||
- **首位为 1、2、3 时保留 2 位有效数字;首位为 4~9 时保留 1 位。**
|
||||
- 示例:`u=0.123 → 0.12`(首位 1,取 2 位);`u=0.067 → 0.07`(首位 6,取 1 位);`u=0.28 → 0.28`(首位 2,取 2 位)。
|
||||
|
||||
### 测量值的修约 —— 四舍六入五凑偶
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||||
- 测量值一律采用"四舍六入五凑偶"(逢四舍、逢六入、逢五凑偶)。
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### 不确定度的修约 —— 只进不舍
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||||
- 不确定度修约时一律**只进不舍**:保留位之后只要有非零数字即向上进位,使报告值偏保守(偏大)。
|
||||
- 示例:`u=0.121 → 0.13`(保留 2 位,进位);`u=0.341 → 0.4`(保留 1 位,进位)。
|
||||
- 说明:"只进不舍"是较保守口径(代表:北京大学),确保报告的不确定度不因修约而偏小。
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||||
## 多小问连算 —— 代入未修约真实值
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||||
- 后一问用到前一问结果时,**一律代入前一问计算所得的完整精度数值(未修约的真实值)**,
|
||||
仅在每问**最终报告**时修约。中途不得代入已修约的填空值。
|
||||
- 示例:杨氏模量第 1 问算得 `d = 1.8127… mm`(报告修约为 `1.81 mm`);第 2 问算 E 时
|
||||
**代入 1.8127…**,而非 1.81,避免逐级累积舍入误差。
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||||
## 线性拟合 —— A 类与 B 类合成
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||||
设 `y = k x + b`。
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### A 类
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斜率 A 类相对不确定度由相关系数 γ 表示:
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```
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σ_k / k = √[ (1/(n−2)) · (1/γ² − 1) ]
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```
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### B 类(本版必须计入)
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把斜率写成各 yi 的线性组合 `k = Σ ci·yi`,权重 `ci = (xi − x̄) / Σ(xj − x̄)²`。
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||||
设各点纵轴 B 类不确定度近似相同 `u_By = Δ仪,y / √3`,按传播:
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```
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u_Bk = u_By · √(Σ ci²) = u_By / √( Σ(xi − x̄)² )
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```
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### 斜率不确定度(本版上报值)
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```
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u_k = √( σ_k² + u_Bk² ), u_Bk = u_By / √( Σ(xi − x̄)² )
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```
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- 若横轴量 x 的仪器误差不可忽略,可乘以斜率 k 折算到 y 方向后并入 u_By。
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||||
- 即使数据点多、Σ(xi−x̄)² 大致使 u_Bk 很小,本版**也不省略**,一律计入。
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## 速查(超严格版口径)
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| 项目 | 本版做法 |
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|------|----------|
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| A 类不确定度 | 实验标准差,不做 t 修正 |
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| B 类不确定度 | Δ仪 / √3 |
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| 单次测量 | 以仪器误差限估算 |
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| 有效数字 | 首位 1/2/3 取 2 位,其余 1 位(A2) |
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| 测量值修约 | 四舍六入五凑偶 |
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| 不确定度修约 | 只进不舍 |
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| 连算代入 | 代入未修约真实值 |
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| 线性拟合 | A 类 + B 类合成 |
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