Matlab软件在《大学物理实验》中数据图像可视化与分析的应用.pdf

第 卷第 期大学物理实验.年 月 .收稿日期:基金项目:教育部产学研协同育人项目()通讯联系人文章编号:()软件在大学物理实验中数据图像可视化与分析的应用陈定邦张 璐黄佳琳牛相宏张红光陈 伟李兴鳌(南京邮电大学 理学院江苏 南京)摘要:科学计算软件 的开发与应用帮助了学生对大学物理实验课程的实验进行数据处理、图像分析和拟合 通过弗兰克赫兹实验表现 软件的数据图像可视化能力能完美展现极板电流随加速电压变化曲线形成的多个峰值通过光电效应测量普朗克常数来体现实验数据拟合功能整合实验曲线分析截止电压与入射光频率的关系得到拟合曲线计算出普朗克常数的大小 的引入能够提升学生对实验的创新性对培养学生科学素养、逻辑思维能力有很大的帮助也为学生往后的学习科研工作打下坚实的基础关键词:大学物理实验数据拟合数据图像可视化中图分类号:文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.物理实验是物理学的基础在近代物理学的形成及发展中起着不可替代的作用 大学物理实验是一门探索物理世界、掌握物理基础知识的大学学科 它帮助学生更好的理解和掌握了物理概念、物理规律和物理学基础理论提高了物理教学质量及教学效率 物理实验对于建立相关的基本物理概念基本物理规律引出物理公式以及加深对物理实验的理解有着十分重要的作用 通过实验发现真理之后又通过实验去证实真理是辩证唯物主义认识论的理论基础之一不仅能提高学生们的物理基础知识还能提高其动手能 力 增 加 学 习 积 极 性 达 到 良 好 的 教 学效果物理实验的数据处理与分析是物理实验这门课程的重要组成部分对物理实验的数据进行处理与分析可以定量分析变量与变量之间的关系从而进一步分析实验现象加深对物理实验原理的理解 物理实验数据的分析与处理还能培养学生严谨的科学态度养成良好的学习风气通过计算不确定度等方法可以求出实验误差培养学生精益求精的科研态度 但是很多实验的数据处理与分析运算量巨大学生需要花费大量时间去计算很容易造成差错并且由于手绘图像存在着较大的误差容易对实验结果产生许多不定的影响 随着计算机在科学研究中的不断发展与应用可编程化软件在数据处理与分析过程中被应用得越来越多在多种可编程化软件中 软件是基于一个易使用的视窗环境能实现数值分析、矩阵计算、科学数据可视化和建模仿真等功能的软件 软件将数值计算与数据可视化结合为科学研究和实验数据的分析与处理提供了极大便利 软件具有以下优点:首先具有强大的计算功能学生通过应用 软件可以大大节省计算的时间减小计算过程可能出现的错误其次 软件具有强大的绘图功能学生可以通过较为简单的操作对数据进行可视化处理准确地得到所需图像 软件在大学物理实验课程中的使用 大学物理实验是一门以实验为基础来调动学生的积极性并且巩固学生理论知识的学科因此数据处理在这门课程中显得尤其重要 在实验过程中对数量庞大、参量复杂的数据进行处理往往令同学们感到头疼 而作为科技信息发达的当代利用可编程化软件 来实现数据的高效处理与分析已然成为一种趋势 本文举例用 科学作图、分析:光电效应测定普朗克常数实验以及弗兰克赫兹实验中 曲线图 该可编程化软件的应用对同学们的思维、创新、逻辑能力大有提升同时也为学生们后续的课程学习奠定了基础.软件用于实验数据图像可视化处理弗兰克赫兹实验是典型的多数据类物理实验:为了观测氩原子的能级跃迁第二栅极电压按照步长为.从 增加至 以上并记录对应的阳极电流 由于数据组数多达 组以上且分布不呈线性因此传统手绘作图极为麻烦且不精确给学生带来很大困扰 使用 软件可以很好地解决此问题因为软件作图相对手绘是更加精确的且呈现出的图像也更为直观不仅如此 软件作出图像后还能够对图像进行美化与补充学生可操作性强因此很大程度上能够激发学生去完善优化图像的积极性具体操作步骤如下:()将原始数据导入至 工作区中将工作区中的数据复制到文件夹中生成“.”文件命名为.()在当前文件夹中新建一个脚本并命名为.()打开脚本编译器并键入代码如下:.()()运行代码得到图像如图()在生成图像的窗口选择插入 标签为 标签为()打开图像属性检查器设置标记样式为实心圆点大小为()最后点击“另存为”将图像保存类型设置为 形式利用 软件可以对大学物理实验中的实验数据进行图像可视化由图 所绘制的 曲线我们可以非常直观、形象地观察出极板电流 与加速电压 形成的多个峰值对于后续寻找峰值点并计算氩原子第一激发态与基态间的能极差有较大的帮助 由于弗兰克赫兹实验的实验数据总数较多且数据间变化幅度较小若采用传统手绘的方法画图可能存在较大误差对于实验结果的精确性有较大的影响 而使用 软件进行画图能很大程度上减少这种误差并且可以进行图像的优化使图像观察起来更为直观/图 弗兰克赫兹实验 曲线.软件用于实验数据拟合 软件中的数据拟合功能十分强大可以根据不同类型的数据曲线进行可调控的拟合并且可以根据需要调整精度 这对于一些需要作图的实验有极大的帮助作图法得出的图像往往可以直接或间接知晓所要求的物理量通过图像信息转化为已知信息通过光电效应测定普朗克常数就是如此由爱因斯坦提出的光电效应方程:可以发现入射到金属表面的光频率越高溢出的电子动能就越大式中 为金属的逸出功为光电子获得的初始动能 若加上反向电压使得光电流为 此时有:当光子的能量 时电子不再能够脱离金属光电流也不再产生此时产生光电效应的最低频率也就是截止频率为 代入光电效应方程得 由此可知截止电压与频率呈线性关系斜率为 根据实验数据如表 第 期陈定邦等:软件在大学物理实验中数据图像可视化与分析的应用表 光电效应测量普朗克常数实验数据波长/./.因此通过作图法可以计算出普朗克常数 具体画图操作步骤与上述相同可以得到截止电压与入射光频率关系图如图 频率/图 截止电压 与入射光频率 的关系在传统作图的方法中由于学生手绘图像一般都会存在误差会增加实验的不精确性从而在求解过程中给学生带来较大的困扰因此利用软件精确作图和图线拟合很有必要 软件在此方面具有较大的优势软件中提供的多种类型的拟合包括线性拟合和非线性拟合都能够设置拟合结果的有效数字并自动计算系数以及拟合优度和残差范数的大小 对于学生而言操作难度较传统手绘作图有较大的降低并且激发了学生在实验过程中的积极性 在使用 软件的拟合功能时通过菜单栏选择工具选择基本拟合功能再确定线性拟合以及设置有效数字为 位可以得到拟合后的图像如图 频率/图 拟合后的截止电压与入射光频率关系图拟合后的图像上能够自动生成方程、画出拟合前后的图像对比并且可知拟合优度.证明拟合效果非常好 通过拟合后的线性方程:.可以得出斜率.因此可以计算出普朗克常数:.而真实的普朗克常数为.误差为.计算出的普朗克常数与真实值较为接近拟合效果非常好利用 软件进行数据拟合也可以调用()函数利用最小二乘法对数据进行多项式拟合可直接在脚本编辑器中键入代码如下:.()阶多项式拟合()求解拟合曲线上点对应的函数值 ()显示 阶多项式()(:)执行代码后在命令行窗口能够得到:.并且能够得到拟合后的图像根据拟合后的多项式也能够计算出普朗克常数 的大小 结 语由上述两个实验可以看出 对于数据可视化和数据拟合十分有效 对于弗兰克赫兹实验中 对应的庞大的数据 可以轻而易举地快速整合成较为精确的图形并能给出各峰值对应的数值 对于光电效应测量普朗克常数实验中数据拟合图像的问题也能通过其软件的拟合功能自动生成方程和图像并且误差较小在物理实验中帮助同学们更好的处理数据 软件功能强大在大学物理实验课程中的应用非常广泛无论是在数据图像可视化还是在数据拟合方面都有较为出色的表现非常符合当下鼓励创新的大环境能够很好地弥补传统手绘作图法的缺陷并且能够较好地开发学生的积极性与创新性 本文以弗兰克赫兹实验大 学 物 理 实 验 年和光电效应测量普朗克常数实验为例展现了科学计算软件 在数据图像可视化处理及数据基本拟合方面的优势 有助于学生对大学物理实验课程的理解和学习对于培养学生科学素养、逻辑思维有很大的帮助同时为学生往后的课程学习和科研工作打下坚实的基础参考文献:孙二平刘维慧张进娟等.物理实验中数据处理教学研究与实践.大学物理实验():.解玉鹏.大学物理混合式教学模式策略分析.大学物理实验():.李兴鳖李三龙.物理实验教程.上海:上海交通大学出版社.贾小兵杨茂田殷洁等.大学物理实验教程.北京:人民邮电出版社.胡良剑.数学实验.版北京:高等教育出版社.钮伟王丽霞普勇.可编程科学软件 在大学物理实验 课程中的应用.大学物理实验():.何彪徐富新李新梅等.弗兰克赫兹实验教学内容的设计与实践.大学物理实验():.李斌.在大学物理实验常用数据处理中的应用.大学物理实验():.金华.非线性拟合在大学物理实验中的应用.科技视界():.侯春枝杨肖宋海珍等.软件在物理实验数据处理中的应用.物理与工程():.胡素梅陈海波祁玲敏.软件在光电效应实验中的应用研究.大学物理实验():.刘晨宇刘正奇.以创新技能培养为导向的大学物理实验 课程教学探索.大学物理实验():.():.:第 期陈定邦等:软件在大学物理实验中数据图像可视化与分析的应用