高中物理實驗數(shù)據(jù)處理的創(chuàng)新實踐

盛宇航

摘? 要 物理實驗在中學(xué)教學(xué)中具有不可替代的作用。對高中學(xué)生來說，物理實驗可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、觀察能力和分析能力。Microcal Origin軟件具有強大的數(shù)據(jù)處理與擬合功能，操作起來簡便實用，數(shù)據(jù)處理過程快，因此深受科技工作者喜愛。討論學(xué)生如何利用物理實驗課所測得的數(shù)據(jù)通過Microcal Origin 7.5進行數(shù)據(jù)處理分析，采用計算機輔助實驗數(shù)據(jù)處理可以省去不必要的重復(fù)計算，加深學(xué)生對于實驗所體現(xiàn)的物理規(guī)律的掌握，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性。

關(guān)鍵詞 高中物理;物理實驗;實驗數(shù)據(jù);Microcal Origin;計算機

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）15-0102-02

1 引言

物理實驗在中學(xué)教學(xué)中具有不可替代的作用。對高中學(xué)生來說，物理實驗可以培養(yǎng)他們的動手能力、觀察能力和分析能力。進行物理實驗，不光是對各種物理量進行測量，更重要的是需要對所測量出來的數(shù)據(jù)進行分析與計算，找到各物理量之間的規(guī)律和聯(lián)系。然而，如今各學(xué)校物理實驗課安排的課時普遍較少，在一節(jié)實驗課里，既要完成教師對實驗原理的講解、實驗操作的示范，又要學(xué)生進行實驗、測量數(shù)據(jù)，往往就很難再有時間在課堂上進行復(fù)雜的運算與數(shù)據(jù)處理。而且高中階段的有些實驗計算相對繁雜且重復(fù)步驟較多，許多學(xué)生往往因此會失去對物理的學(xué)習(xí)興趣。

Microcal Origin軟件具有強大的數(shù)據(jù)處理與擬合功能，操作起來簡便實用，數(shù)據(jù)處理過程快，因此深受科技工作者喜愛。采用計算機輔助實驗數(shù)據(jù)處理，可以省去不必要的重復(fù)計算，加深學(xué)生對于實驗所體現(xiàn)的物理規(guī)律的掌握，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性。那么，學(xué)生如何利用Microcal Origin 7.5軟件對物理實驗課所測得的數(shù)據(jù)過進行數(shù)據(jù)處理分析，包括直線作圖、曲線方程擬合和實現(xiàn)光學(xué)實驗圖像的仿真？

2 利用Microcal Origin進行直線作圖

直線作圖是物理實驗中一種常用的數(shù)據(jù)處理法，通常在坐標紙上進行。讓學(xué)生按照實驗數(shù)據(jù)在坐標紙上畫圖，雖然可以提高學(xué)生的思考能力，但對于高中生來說，高中階段絕大部分實驗是驗證性實驗，通過前面理論課的學(xué)習(xí)，學(xué)生作圖前一般知道所畫圖像是一條直線，所以也就失去了探知的興趣，面對繁雜重復(fù)的描點，往往不愿花費過多的時間，因此總是應(yīng)付了事，作出的圖像也往往比較潦草凌亂。

利用Origin軟件，不僅可以作出漂亮、準確的圖形，而且可以給出直線方程的一些重要參數(shù)。較為普遍的二維圖形的繪圖樣式有“Line”（線圖）、“Scatter”（散點圖）、“Line+Scatter”（點線圖）等。下邊以測量電阻的伏安特性實驗為例來說明。

對于定值電阻，流過電阻的電流和電阻兩端的電壓成正比。學(xué)生測得的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。將用來作圖的數(shù)據(jù)輸入Origin的工作簿（Worksheet）上，選擇數(shù)據(jù)，點擊繪圖—直線，就可以得到圖1所示的圖形。作圖時的坐標顯示范圍、間隔等均可以自由調(diào)整?？梢钥吹剑琌rigin軟件不僅給出了圖像，而且給出了直線的參數(shù)和誤差?？梢钥吹剑瑢τ诖舜屋斎氲膶嶒灁?shù)據(jù)，軟件給出了直線參數(shù)a=-0.394 56±0.117 81，b=4.959 67±0.036 07，其中參數(shù)b就是圖中直線的斜率。利用所給數(shù)據(jù)，可以很方便準確地求出電阻的阻值。

在高中階段，測量電源的電動勢、驗證牛頓運動定律等實驗，均可以借助此方法完成作圖。

3 利用Microcal Origin進行非線性擬合

非線性曲線擬合一直是物理實驗數(shù)據(jù)處理過程中的難點，用最小二乘法擬合曲線工作非常復(fù)雜，往往需要實驗者憑經(jīng)驗給出參數(shù)方程，還要檢驗相關(guān)系數(shù)正確與否，對于高中生來講難度過大。即使知道所需擬合的方程形式，巨大的計算工作量也很難通過筆算完成，因此，借助計算機的幫助是必不可少的。Origin軟件中有各種形式的非線性方程，而且可以讓實驗者自定義方程的形式和參數(shù)，操作非常方便。擬合出的曲線可以給出方程的具體參數(shù)和擬合相關(guān)系數(shù)等重要數(shù)值。下面通過熱敏電阻這個實驗實例來加以說明。

對于NTC型熱敏電阻，其電阻溫度的關(guān)系可用表示，指數(shù)上的系數(shù)B為負值。由于非線性擬合非常困難，大多數(shù)學(xué)校在這個實驗中對上式進行對數(shù)處理，變換成

，然后做與lnR的直線關(guān)系。這種方法雖然間接證明出上述關(guān)系，但是學(xué)生很難直觀形象地得到NTC熱敏電阻的電阻溫度變化曲線。

利用Microcal Origin的非線性擬合功能則很容易實現(xiàn)。熱敏電阻的測試采用恒流源法和電橋法兩種方法測量，實驗所得數(shù)據(jù)如表2所示。將數(shù)據(jù)輸入Worksheet中，點擊分析—非線性擬合，選擇高級擬合工具，選擇相對應(yīng)的方程。可以選擇需要哪些參數(shù)進行變化，然后點擊“擬合”即可得到圖2和圖3所示圖像。從圖中可以看出，兩條曲線的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，說明用此方程擬合是正確的。圖中給出曲線方程的參數(shù)A和B，并且很直觀地向?qū)W生展現(xiàn)了熱敏電阻的溫度變化規(guī)律。

其他一些實驗，如小燈泡伏安特性、三棱鏡色散曲線、光敏電阻光照特性等均可用這種方法進行非線性擬合。

4 思考與展望

現(xiàn)今，計算機已經(jīng)在高中學(xué)生中普及使用，高中數(shù)學(xué)新教材也要求學(xué)生掌握一些基本的程序和算法，部分學(xué)生的計算機水平也較好。如果利用計算機輔助進行物理實驗數(shù)據(jù)處理，不僅可以節(jié)約時間，而且會增強處理數(shù)據(jù)的準確性，提高物理實驗課程對學(xué)生的吸引力。

在高中物理實驗教學(xué)中應(yīng)用Microcal Origin軟件進行直線作圖、非線性擬合、圖像仿真等工作，可以看出，具有操作簡便、作圖效果好、擬合程度高、仿真效果形象逼真的特點。利用信息技術(shù)輔助物理實驗，可以提高學(xué)生在實驗中的數(shù)據(jù)處理效率，加深學(xué)生對于實驗現(xiàn)象的理解和對物理規(guī)律的掌握，有助于增強物理實驗課的課堂教學(xué)效果。

利用Origin軟件可以進行作圖、統(tǒng)計、尋峰、非線性擬合、傅立葉變換等多種數(shù)據(jù)處理操作，數(shù)據(jù)庫中有多種作圖模板和各種復(fù)雜的曲線方程。該軟件對計算機硬件配置要求很低，普通的計算機均可安裝此程序，而且使用過程中也不需要像MATLAB等軟件需要進行復(fù)雜的編程操作，只需要按相應(yīng)的要求進行選擇就可以了，很適合高中學(xué)生操作。