Mathstudio在近代物理实验数据处理中的应用_蔡春雨.pdf

第 卷第 期大学物理实验 年 月 收稿日期：基金项目：内蒙古民族大学教育教学研究课题（、）；内蒙古自治区教育教学研究“十四五”规划 年度立项课题（）；年度国家民委高等教育教学改革研究项目（铸牢中华民族共同体意识融入学校人才培养一体化模式的路径探索）；内蒙古自治区教育教学研究“十三五”规划课题（、）。通讯联系人文章编号：（）在近代物理实验数据处理中的应用蔡春雨，萨仁高娃，包 琳，苗秀娟，姜福仕，李鸿明，韩元春，马新军，赵翠兰（内蒙古民族大学 数理学院，内蒙古 通辽；南昌工学院 教育学院，江西 南昌）摘要：为了提升大学生信息素养和实践能力，介绍了 在 个近代物理实验数据处理中的应用，同时与其他数据处理软件的处理结果进行了对比。结果表明：较传统手工计算和电脑端软件运算的方法，基于 的近代物理实验数据处理方法，在符号运算、数据输入或输出和曲线拟合方面为大学生提供技术支持和便利；本文所展示的基于 近代物理实验数据处理方法，丰富了智能手机在物理实验数据处理中的应用，对加速教学信息化改革研究与实践、提升学生信息素养与实践能力的深度融合具有重要意义。关键词：实验数据处理；近代物理实验；信息素养；实践能力中图分类号：；文献标志码：大学物理实验投稿网址：大学物理实验，尤其是近代物理实验，是培养学生科学精神和实践能力的有效方式。目前，在处理和分析大学物理实验数据方面，学生普遍选用手工运算或坐标纸绘制的手段，然而，该传统实验数据处理方式过程繁杂、效率低，而且处理中若出现失误既不易查找问题、也不便于修正数据。事实上，物理实验是提升学生信息素养和实践能力的天然平台。随着信息技术的高速发展，越来越多的人们将数据处理软件引入到近代物理实验数据的处理中，使得实验结果的精度和效率得到了显著的提高。例如，于红等和姬鹏飞等使用 分别处理了金属电子逸出功测量实验和热敏电阻温度特性实验；利用 分析和绘制磁电阻特性研究和红外测温的实验数据；利用 对热敏电阻实验、普朗克常数测定实验、太阳能电池特性实验、居里点温度的测定实验和多普勒效应测声速实验中数据进行了曲线拟合；乐松使用 处理了多普勒效应与弗兰克赫兹实验的实验数据；但是，这种软件处理实验数据的方式，面临这些软件仅能在电脑端才能运行的限制。是一款功能强大的移动端科学计算器，近年来已被巧妙、方便地用来处理和分析了一系列大学物理实验，例如单摆法测重力加速度、牛顿环测透镜曲率半径、霍尔效应、热敏电阻实验、结物理特性实验、测定不同温度下水的黏度实验、落球法测定液体黏滞系数、弦振动实验，和测定普朗克常量实验，且均取得了不错的效果。既体现了采用 处理、分析大学物理实验数据方面较传统方式的优越性；与电脑端才能更好处理实验数据的软件相比，又凸显了利用 处理实验数据的便捷性和高效性。另外，引导和鼓励学生在学习大学物理过程中使用，既能够提升大学生的学习兴趣，又有助于大学生信息素养和实践能力的提升。但以上利用 处理过的实验中，近代物理实验太少。在建立和完善基于 的大学物理实验数据处理案例库以及持续提升大学生 信 息 素 养 和 实 践 能 力 的 要 求 下，研 究 在近代物理实验数据处理中的应用具有重要的学术意义。本文接下来分别以弗兰克赫兹实验、太阳能电池特性实验、红外测温、居里点温度的测定和多普勒测声速实验为例，介绍 在近代物理实验数据处理中的应用。在 个近代物理实验数据处理中的应用 利用 绘制弗兰克赫兹实验曲线利用 中的 函数可以将分散的实验数据绘制成曲线。以弗兰克赫兹实验为例，将实验数据输入 中，通过 即可轻松绘制出相应实验曲线，如图 所示，该曲线与文献用 绘制的图像基本一致。同时可由曲线右侧的 和 对曲线的颜色和线型进行个性化的设置。图 绘制弗兰克赫兹实验曲线 在太阳能电池特性实验研究中的应用 太阳能电池特性实验是一个重要的、启发学生思考、理论与实验紧密结合的近代物理实验。图 显示了用 绘制的太阳能电池特性实验中全暗条件下电压与电流的关系曲线，所得结果与文献中用 界面所得结果一致。图 绘制太阳能电池关系曲线在图 的基础上，继续利用 拟合了太阳能电池全暗条件下电压与电流对数的关系曲线，如图 所示。结果发现，拟合直线的斜率和截距信息，在保留相应有效数字的情况下，与文献中用 拟合结果一致，间接表明，通过 可以设置目标数据的输出精度，满足各类大学物理实验对实验结果的需求。需要说明的是，因对数的真数为正，故剔除了原始数据中电流等于零相关的实验数据。图 拟合太阳能电池关系曲线 在红外测温实验中的应用因其具有便捷性、灵敏性和非接触式测温等优点，红外测温实验是一个集综合性、创新性和实用性为一身的近代物理实验。以灰度为自变量参数，温度为输出参数，图 给出了利用 非线性拟合红外测温实验数据的处理过程，拟合结果基本与文献中采用最小二乘法计算结果一致；这样就从灰度和温度对应的数据中，找出了规律，就可以对其他样品进行测量和预测了。图 拟合红外测温实验数据 在测定居里点温度中的应用本小节以居里点温度测定实验为例，展示大 学 物 理 实 验 年 的矩阵运算功能在物理实验中的应用。根据文献中提供的测定居里点温度的实验原理及方法，部分选取升温居里点测定实验数据，利用 处理升温居里点温度的计算过程和处理结果分别如图 和图 所示。图 利用 完成了实验数据的输入、目标方程组的求解、多阶求导和解方程的过程，其中还伴有数据提取等功能，展示了 强大的数据处理能力。在图 求得温度电压曲线斜率最大处的温度后，图 继续求得对应的电压和曲线最大斜率值，然后根据点斜式求得该直线在温度轴上的截距，即居里点温度，与该样 品 居 里 点 温 度 理 论 值 的 相 对 误 差 为，低于文献中相对误差，除了实验操作引起的误差外，这很大程度上与数据处理时如何科学选取有效实验数据、剔除不合理实验数据有很大关系。图 计算居里点温度图 居里点温度 输出结果 在多普勒测声速实验中的应用根据多普勒效应，声源的发射频率、声波的传播速度 和接收器以速度 相对声源运动时接收到的频率 满足：。实验中，保持声源位置固定、发射频率 不变，则由上式可知，理论上接收器运动速度 和接收频率 满足线性关系，截距大小为 大小，再根据斜率大小则可求出声速。依据文献中的实验数据，图 展示利用 处理多普勒测声速实验数据的全部计算过程。图中拟合直线的斜率和截距大小在保留小数点后 位有效数字的情况下，与源文献中用 拟合的数据相同。另外，利用斜率信息得到的声速大小及其相对误差均与源文献得到的数据保持一致。区别于文献中直接给出声速理论值，若根据声速计算公式，则声速理论值及其相对误差的数值与文献的结果略有不同，但数值计算过程和结果更加严谨，详见图 方框内程序。图 处理多普勒测声速实验数据 结 语基于 的近代物理实验数据处理，既让师生将更多精力投入到近代物理实验本身，又能进一步吸引学生的学习兴趣、提升和锻炼了 第 期蔡春雨，等：在近代物理实验数据处理中的应用学生的信息素养与实践能力。在近代物理实验数据处理中具有以下三个优点：（）处理数据前、后均可采用符号运算，避免因中间数据四舍五入等缘故而引入误差；（）可以通过简单的命令，按照实验需求高效、方便地输入或输出目标数据，且精确度可控，满足各类物理实验的不同要求；（）既优于坐标纸手工作图，又便于电脑端软件绘图，内置多种数据拟合方式，基本满足了近代物理实验中图像处理的各类要求。本文所展示的基于 近代物理实验数据处理方法，丰富了智能手机在物理实验数据处理中的应用，对建立和完善基于 的大学物理实验数据处理案例库具有一定的学术意义，对加速教学信息化改革研究与实践、提升学生学习兴趣、信息素养与实践能力的深度融合具有重要意义。参考文献：庄娟，李雪春，杨华，等重视实验物理思想 提高学生科 学 素 质 物 理 与 工 程，（）：王林杰，王健莹，丛红璐，等大学物理实验教学方法和教学资源建设的研究科技风，（）：范文亮“互联网”背景下大学物理实验教学研究创新创业理论研究与实践，（）：仲伟博近代物理实验课程教学探索 以声光效应实验为例 大学物理实验，（）：王永佳，李庆峰地方高校近代物理实验课程教育教学的几点思考 广西物理，（）：王亚民，班丽瑛，庞绍芳，等工科近代物理教学改革的现代化物理与工程，（）：冯娟娟，李训栓，王心华，等世界一流大学近代物理实验课程网络调研及启示实验室研究与探索，（）：，罗昭霞，周江用智能手机辅助大学实验课堂教学探索中国教育技术装备，（）：黄世娟，黄品文，鲍伟成，等一种开放式智能化“大学物理实验”教学模式与初步实践 基于工科类“大学物理实验”课程现状调研科技与创新，（）：高茜，王菲斐，朱江，等大学物理实验智能化教学模式的构想与实践大学物理，（）：蔡春雨，祁珺，赵翠兰，等智能手机替代作图法处理实验数据大学物理实验，（）：于红，郭梓骞，宫礼坤，等基于“宏”的大学物理实验数据处理方法 实验室研究与探索，（）：姬鹏飞，万明理，孙现亭 和 在大学物理实验数据处理中的应用探讨电脑知识与技术，（）：亓鹏，王殿生，闫向宏，等 在近代物理实验数据处理中的应用 实验技术与管理，（）：李艳，王洪涛利用 处理红外测温实验数据实验技术与管理，（）：，董庆瑞半导体热敏电阻温度曲线的 曲线拟合教育教学论坛，（）：祝宇红，朱玮 在近代物理实验数据处理中的应用实验技术与管理，（）：，周志玉基于 的太阳能电池特性实验数据处理系统的设计宁德师范学院学报（自然科学版），（）：张容基于 的铁磁材料居里点的测定实验数据处理 成都师范学院学报，（）：郝振莉，刘苏锋多普勒效应测声速实验数据处理的可视化设计与实现黄河水利职业技术学院学报，（）：乐松 软件在近代物理实验数据处理中的应用大学物理实验，（）：赵翠兰，祁珺，香莲，等 在 理工科课程中的应用 大学物理实验，（）：高超基于 的高职数学绘图教学改革与实践学园，（）：王福昌，靳志同，张梅东，等 在高等数学学习中的应用数学学习与研究，（）：孔祥阳，张磊 在高职高等数学教学中的应用西部素质教育，（）：魏凤成 在大学物理实验数据处理中的运用天津农学院学报，（）：祁珺，蔡春雨一种简便的霍尔效应实验数据处理方式大学物理实验，（）：蔡春雨，李鸿明，韩元春，等 在弦振动实验研究中的应用大学物理实验，（）：蔡春雨，韩元春，李鸿明，等利用 进一步验证弦振动规律内蒙古民族大学学报（自然科学版），（）：大 学 物 理 实 验 年 姜福仕，王旭颖，王伟华，等 在测定普朗克常量实验中的应用内蒙古民族大学学报（自然科学版），（）：刘慧，王向川，边健，等 软件在太阳能电池特性研究实验中的应用安阳工学院学报，（）：王一，乌大琨，隋郁，等砷化镓、硅单晶太阳能电池特性研究实验教学设计 实验技术与管理，（）：，陆世杰太阳能电池特性的实验研究与应用大学物理实验，（）：廖盼盼，张佳民红外测温精度的影响因素及补偿方法的研究红外技术，（）：葛泽勋，曹秒，安志勇基于距离补偿的红外测温系统设计 长春理工大学学报（自然科学版），（）：，代少升，吴纪红环境温度对红外测温精度的影响及补偿方法研究 半导体光电，（）：陈亮，孙坚支持向量回归方法在红外测温标定实验中 的 应 用 红 外 技 术，（）：，吴显云，张容，郑鑫玉，等一款安全高效准确的居里点测试仪的设计与制作大学物理实验，（）：杨文健，何慧颖，熊举峰声速测量演示实验的设计物理实验，（）：，（，；，）：，：，；，：；第 期蔡春雨，等：在近代物理实验数据处理中的应用