Minitab軟件在大學物理實驗

譚穗妍　徐初東

摘 要 本文介紹了Minitab軟件在大學物理實驗數據處理中的應用，并以“測量亥姆霍茲線圈的磁場”和“溫差電動勢的測量”為例，給出了Minitab數據處理的步驟。

關鍵詞 Minitab 數據處理 大學物理實驗

中圖分類號：O4-33 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.06.017

Application of Minitab Software in College Physics

Experiment Data Processing

TAN Suiyan， XU Chudong

（College of Electronic Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642）

Abstract This article describes the Minitab software in Physics Experiment Data Processing universities， and to "measure the Helmholtz coil magnetic field" and "thermoelectric measurements" for example， gives a step Minitab data processing.

Key words Minitab; data processing; college physical experiment

0 前言

大學物理實驗課程一般包括三個主要環節：實驗預習、實驗操作和數據處理。①其中數據處理一般都比較繁瑣，且機械化，學生面對大量的數據會容易感到煩瑣和枯燥;而且數據處理常會涉及到作二維圖形，有些實驗要求通過圖解法求直線斜率，有些實驗要求通過作圖觀察幾個參數之間的關系，傳統的手工計算和畫圖往往存在不足之處：一是作圖誤差大;二是手工作圖看上去欠缺美觀和科學性。針對這些不足，用計算機處理數據，實驗數據誤差小，使用方便快捷，能激發學生對實驗的興趣，實驗報告看起來簡潔、明了、具有科學性。本文介紹統計分析軟件Minitab15在大學物理實驗數據處理中的應用，并以“測量亥姆霍茲線圈的磁場”和“溫差電動勢的測量”兩個實驗為例子。

Minitab15是數據分析軟件Minitab的最新版本和首款中文版，它提供用來分析數據的工具和改進流程的有用信息，且具備以下特征：（1）與人們學習和工作方式相適應的邏輯界面。（2）功能強大，包含完整的數據管理功能、強大的文件導入和導出、數據操作和電子表格式的數據窗口。 （3）配備詳盡的文檔，例如幫助解釋輸出結果的“會話”對話框 ，以及 500 多個圖文并茂的術語。

1 Minitab15在“測量亥姆霍茲線圈的磁場”中的應用

測量亥姆霍茲線圈的磁場實驗是定性地觀察通電線圈中心軸線上的磁場分布，測量的表格較多，每個表格記錄的數據也很多，一般的數據處理是作出中心軸線位置與磁感應強度分布的關系曲線，如果用Minitab15軟件處理，過程簡便，圖線簡單明了、整潔且具科學性。

將半徑為10cm，相距為10cm的兩個完全相同的線圈A、B對稱放在刻有1cm€？cm方格的大理石平臺上，此為亥姆霍茲線圈。對線圈通以100mA的電流，用集成霍爾傳感器分別測量對單線圈A單獨通電、單線圈B單獨通電和A、B線圈串聯后通電的亥姆霍茲線圈中心軸線上的磁感應強度，數據如表1。

圖1 亥姆霍茲線圈中心軸線上的磁感應強度的分布圖

利用Minitab15處理數據的具體步驟如下：（1）啟動Minitab15，把表1中 “位置”、“單線圈磁場BA”、“單線圈磁場BB”、“亥姆霍茲線圈磁場B” 四行的數據分別填入Minitab15工作表區域的“C1”、“C2”、“C3”、“C5”列。（2）對“C4”列進行公式設定，首先選中C4列，點擊鼠標右鍵選擇“公式”和“對列設置公式”選項，在彈出的對話框中填入公式C2+C3，按確定，則C4列會自動填充數據，把數據填入表1中相應的位置，可省卻大量繁瑣的計算過程。（3）點擊工具欄上的“圖形”選項，在下拉列表框中選擇散點圖，選擇“簡單”類型，在散點圖對話框中設置變量和變量，變量選擇“C1位置”，變量選擇“C2單線圈磁場BA”、“C3線圈磁場BB”、“C4 BA+BB”、“C5 B”、并且選擇“重疊在同一圖形”選項，按確定，即可出現亥姆霍茲線圈中心軸線上的磁感應強度的分布圖，如圖1。

2 Minitab15在“溫差電動勢的測量”中的應用

兩種不同金屬組成一閉合回路時，若兩個接點A、B處于不同溫度和，則在兩接點A、B間產生電動勢，稱為溫差電動勢。溫差電動勢的大小與熱電偶常數和兩個接觸點的溫度差有關，電動勢與溫度差的關系復雜，當溫度差不大時，取其一級近似可表示為： = *（），式中，為熱電偶常數。②在溫差電動勢的測量實驗中，數據處理一般要求作出溫差電動勢與溫度差的關系圖，并求出熱電偶常數。學生利用最小二乘法或作圖法求熱電偶系數計算過程繁雜、誤差大，若利用Minitab統計分析軟件中線性擬合線圖的功能，能簡便科學地得出溫差電動勢與溫度差的線性關系圖，并得出線性系數即熱電偶常數。

將熱電偶一個接觸點放在冷水中，并用溫度計測出其冷水溫度 = 25℃，另一個接觸點放在水浴鍋中，從67℃開始，水浴鍋每升高4℃測量一次溫差電動勢，直至95℃;再從95℃開始，水浴鍋每降低4℃測量一次溫差電動勢，直至67℃，數據如表2。

數據處理的步驟：（1）啟動Minitab15，把表2中 “熱端溫度t/℃”、“升溫電動勢 /mv”、“降溫電動勢 /mv”三行的數據分別填入Minitab工作表區域的“C1”、“C3”、“C4”列。（2）同理對“C2”、“C5”列進行公式設定以省卻手工的公式計算，分別選中“C2”、“C5”列，點擊鼠標右鍵選擇“公式”和“對列設置公式”選項，在彈出的對話框中填入公式C1-25和（C3+C4）/2，按確定，則C2、C5列會自動填充數據，把數據填入表2中相應的位置。（3）點擊工具欄上的“統計”選項，在下拉列表框中選擇“回歸”，并在子菜單下選擇“擬合線圖”，在“擬合線圖”對話框中設置變量和變量，其中“響應Y”選擇“C5”列，“預測變量X”選擇“C2”列，回歸模型類型選擇“線性”，最后按確定，即可產生溫差電動勢和溫差的擬合線圖。擬合線圖中直接給出溫差電動勢與溫差的關系式， = 0.2354+0.06771△，其系數0.06771即為熱電偶常數。

3 結束語

本文主要結合大學物理實驗中兩個經典實驗“測量亥姆霍茲線圈的磁場”和“溫差電動勢的測量”，介紹了運用Minitab進行具體數據處理和分析的過程，通過對實例分析可以看出，Minitab在實驗數據處理中有強大的功能，且界面易懂，適合學生在大學物理實驗數據處理中使用，并能提高學生計算機的綜合應用能力。

注釋

① 習崗，楊初平.大學物理實驗[M].中國農業出版社，2006：2-3.

② 習崗，楊初平.大學物理實驗[M].中國農業出版社，2006：110-111.