淺談計算機技術對物理實驗數(shù)據(jù)處理的重要作用

石浩辰　祁金剛　韓飛　髙允鋒

摘 要：當前，物理理論課堂教學隨著教學體制改革正不斷地革新，而實驗教學板塊受到的重視程度卻不夠。尤其是基礎物理實驗，許多此類課程仍延續(xù)著以前的教學模式，實驗內(nèi)容少，類型單一，數(shù)據(jù)處理方式落后。將現(xiàn)有計算機技術應用于實驗教學具有深遠的積極作用。本文以物體的慣性質(zhì)量測定實驗為例，利用新興的計算機軟件和技術，對實驗數(shù)據(jù)進行分析擬合。把實驗數(shù)據(jù)處理成直觀可視的圖形、曲線，以便于學生分析數(shù)據(jù)的變化趨勢及規(guī)律。這種實驗數(shù)據(jù)處理方式在一定程度上能促進學生的實驗綜合能力的提高。

關鍵詞：物理實驗；線性擬合；最小二乘法；慣性質(zhì)量

物理實驗是培養(yǎng)學生基本實驗操作技能、創(chuàng)新性思維和綜合實踐能力的重要教學環(huán)節(jié)，也是提升學生探究問題、分析數(shù)據(jù)和解決難題能力的重要手段。而復雜繁瑣的近代物理實驗和專業(yè)性極強的高等實驗需要扎實的實驗數(shù)據(jù)分析能力。所以，教師在前期基礎物理實驗教學環(huán)節(jié)，一定要重視對實驗數(shù)據(jù)處理、分析能力的指導。以實驗作圖為例，目前大部分實驗作圖都是通過在坐標紙上手動繪制來實現(xiàn)的。由于數(shù)據(jù)的復雜多變，曲線擬合方式眾多，使得實驗圖像結(jié)果準確性大幅度降低，在增加了繁瑣操作的同時，也降低了學生對實驗本身內(nèi)涵的探究熱情。本文以物體的慣性質(zhì)量測定實驗為例，針對Excel和Origin軟件處理數(shù)據(jù)的方法進行詳細闡述和分析，為此類教學方法的革新提供一些參考意見。

1 實驗原理及方法

由牛頓第二定律得來的質(zhì)量稱為慣性質(zhì)量，它不同于引力質(zhì)量，是物理的慣性度量。本實驗用慣性秤稱衡的物體質(zhì)量就是物體的慣性質(zhì)量。

由相關系數(shù)r的定義可知，|r|越趨近于1，散點圖所擬合的圖線線性相關程度越高。本實驗相關系數(shù)r 的絕對值約為0.9997，非常趨近于1，說明其線性相關程度極好。在求出擬合曲線表達式以后，即可通過測量其他物體的振動周期從而推算得出其慣性質(zhì)量。

3 分析及結(jié)論

物理實驗理論性強、以及不可避免的實驗儀器老化、不穩(wěn)定的機械缺陷，使得學生在實驗中總是得出較大誤差的實驗數(shù)據(jù)，在一定程度上影響了學生對實驗結(jié)果，結(jié)論的判斷，同時也削弱了學生主動學習的積極性。由于數(shù)據(jù)處理方式陳舊而導致的此類現(xiàn)象更加明顯，利用坐標紙手動繪制圖線與真實結(jié)論差異較大，極大程度上影響了學生對實驗結(jié)果的討論和分析。利用計算機繪制、擬合實驗數(shù)據(jù)所得圖線能夠明顯提升整個實驗教學效果，而且操作快捷簡單。具體方法概括即為：錄入數(shù)據(jù)→插入散點圖→擬合趨勢線→分析求出參數(shù)。

以上述實驗為例，利用Excel和Origin擬合線性圖線的具體操作方式分別如圖2、圖3所示，擬合的同時，可直接利用軟件求出曲線的線性表達式及相關系數(shù)。擬合數(shù)據(jù)后，可利用軟件中數(shù)據(jù)分析操作中的“模擬分析”里的“單變量求解”對數(shù)據(jù)進行分析。利用已知因變量推導得出其對應的自變量數(shù)值。如上述實驗中，已知物體在慣性秤上的振動周期，即可推算得出其慣性質(zhì)量。

4 結(jié)語

在散點圖擬合曲線并求得其解析式時，利用最小二乘法擬合的直線解析式比手動繪制圖線求解得出的函數(shù)關系式精準得多。同時，合理地使用現(xiàn)代的計算機技術會簡化其中繁瑣的計算過程，提高學生的學習熱情。以實現(xiàn)對學生動手能力、分析探究問題能力以及創(chuàng)新思維更高效的指導教學。結(jié)合現(xiàn)有的實驗儀器和設備，對這些計算機方面的知識進行預教學講解，這種教學方法能促使學生自主探究，真正意義上的自主解決問題。實驗課程是人才培養(yǎng)教學工作必不可少的重要部分，教師應注重加強實踐教學，從而更有效地實現(xiàn)理論知識向?qū)嵺`成果的轉(zhuǎn)化。

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