巧用Excel軟件處理大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)

劉家菊，洪煒寧，錢良存

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，安徽合肥230036）

巧用Excel軟件處理大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)

劉家菊，洪煒寧，錢良存

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，安徽合肥230036）

本文利用Excel軟件自身攜帶的函數(shù)、格式化操作、快速生成圖表和數(shù)據(jù)管理等諸項功能，通過兩個具體實驗實例，介紹了Excel軟件在數(shù)據(jù)處理中的巧妙應(yīng)用.實踐表明，用Excel軟件處理大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)，具有高效、準(zhǔn)確的優(yōu)點.

Excel；實驗數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理

常見的大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理方法有列表法、作圖法、平均法、逐差法和最小二乘法（線性擬合法）等方法.傳統(tǒng)的做法是利用筆、紙、尺子等工具進(jìn)行人工計算和作圖，這種做法由于人為的原因勢必對實驗結(jié)果帶來誤差，不能客觀真實的反映實驗結(jié)果，而且是在數(shù)據(jù)量較少的情況下完成的，若數(shù)據(jù)量過大則傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理就無能為力[3].

因此，對已有的實驗數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行全面革新，利用Excel軟件突出的優(yōu)點是使用非常方便，不要求學(xué)生會編程，只要進(jìn)行基本的電腦操作，就可以方便地處理數(shù)據(jù)[2].利用Excel軟件自身攜帶的函數(shù)、格式化操作、快速生成圖表和數(shù)據(jù)管理等諸項功能.查閱相關(guān)資料，并針對本校的現(xiàn)狀，分析實驗項目的理論數(shù)據(jù)，繪制出適合每個實驗項目的Excel數(shù)據(jù)表格和相應(yīng)的圖形，以供學(xué)生在數(shù)據(jù)分析時，能夠輕松完成實驗數(shù)據(jù)處理與分析可能產(chǎn)生誤差的原因.

1 以落球法測液體的粘滯系數(shù)實驗為例

利用Excel軟件中提供的函數(shù)，對平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、不確定度進(jìn)行計算和誤差分析.

圖1 excel軟件處理數(shù)據(jù)表

（1）打開Excel2003，在Sheetl工作表，設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格，選中B15：C15單元格，合并單元格，并在此單元格輸入“=AVERAGE(C7:C14)”，計算出小剛球直徑d的平均值.同樣方法，計算出L、t、V、η的平均值.

（2）選中B16：C16單元格，合并單元格，并在此單元格輸入“=STDEVP(C7:C14)”，計算出小剛球直徑d的標(biāo)準(zhǔn)差.同樣方法，計算出L、t的標(biāo)準(zhǔn)差.

（3）在H7輸入“=E7*0.01/G7”，計算出小剛球在待測液體蓖麻油中的速度V，然后將H7復(fù)制到H8:H15單元格，計算出相應(yīng)速度Vi（i=1,2，…8）和的值.

（4）根據(jù)η的公式，使用相對地址、絕對地址和函數(shù)，在I7輸入“=($H$4-$E$4)*9.8*POWER(C7, 2)*0.000001/(18*(H7*POWER((1+2.4*C7/$C$4),2)))”

（5）根據(jù)誤差傳遞公式，使用相對地址、絕對地址和函數(shù)，在H16輸入“=$H$15*SQRT(POWER( (D16/$D$15),2)+POWER((F16/$F$15),2))”，在I16輸入“=$I$15*SQRT((POWER((D16/$D$15),2)+POWER ((F16/$F$15),2)+POWER(((2+2.4*$B$15/$C$4)/ (1+2.4*$B$15/$C$4)),2)*POWER((B16/$B$15),2)))”，分別計算出V,η的標(biāo)準(zhǔn)差.

（6）計算不確定度.查閱T分布檢驗法表格，t0.683=1.08，所以計算A類不確定度為t0.683因子乘以標(biāo)準(zhǔn)差.選中B17：C17單元格，合并單元格，并在此單元格輸入“=1.08*B16”，計算出小剛球直徑d的A類不確定度.同樣方法，計算出L、t的A類不確定度.將H16復(fù)制到H17，I16復(fù)制到I17，計算出V,η的A類不確定度.

學(xué)生將直接測量值記入相應(yīng)的單元格，在（圖1）表格陰影部分單元格內(nèi)，即可得出相應(yīng)的數(shù)值和誤差值.

2 以利用李薩如圖形測未知的頻率實驗為例

設(shè)計測量實驗數(shù)據(jù)記錄表格，利用Excel軟件圖表生成功能，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制實驗數(shù)據(jù)的坐標(biāo)圖.

使用示波器觀測李薩如圖形實驗，當(dāng)兩正弦波信號的頻率比值fx/fy=ny/nx為簡單整數(shù)比時，（fx代表CH1通道上正弦波信號的頻率，fy代表CH2通道上正弦波信號的頻率，nx代表李薩如圖形與假想水平線的切點數(shù)目，ny代表李薩如圖形與假想垂直線的切點數(shù)目），在示波器的熒光屏上將得到穩(wěn)定的李薩如圖形.

李薩如圖形實際上是一個質(zhì)點同時在X軸和Y軸上作簡諧運動形成的，每一個點都可以用以下的公式進(jìn)行表示：Y1=A1sin(B1*X+C1)，Y2=A2sin (B2*X+C2).利用Excel軟件模擬繪制不同頻率比值的李薩如圖形[1].

(1)打開Excel2003，在Sheetl工作表，設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格.

(2)在B2中輸入系數(shù)A1的值，當(dāng)前輸入的初始值“1”，在D2中輸入系數(shù)B1的值，當(dāng)前輸入的初始值“3”，在F2中輸入系數(shù)C1的值，當(dāng)前輸入的初始值“10”；在B3中輸入系數(shù)A2的值，當(dāng)前輸入的初始值“1”，在D3中輸入系數(shù)B2的值，當(dāng)前輸入的初始值“1”，在F3中輸入系數(shù)C2的值，當(dāng)前輸入的初始值“2”.

(4)在A5中輸入“0”，在A6中輸入“=PI()／8+A5”，然后將A6復(fù)制到A7：A21單元格.

(5)在B5中輸入“=$B$2*SIN(A5*$D$2+$F $2)”，然后將B5復(fù)制到B6：B21單元格.

(6)在C5中輸入“=$B$3*SIN(A5*$D$3+$F $3)”，然后將C5復(fù)制到C6：C21單元格.

(7)選擇菜單欄中的“插人”一“圖表”或單擊工具欄中的“圖表向?qū)А?，如圖2-6-2圖表向?qū)Р襟E1中，選擇“XY散點圖”，在子圖表類塾中選擇“平滑線散點圖”，單擊“下一步”.

(8)在圖表向?qū)Р襟E2中，數(shù)據(jù)區(qū)域中選擇B5：C21單元格.

(9)在圖表向?qū)Р襟E3中，填人圖表標(biāo)題、X軸、Y軸，單擊“下一步”.

(10)在圖表向?qū)Р襟E4中，選擇適當(dāng)?shù)膱D表位置，生成新的工作表或嵌入工作表．如圖（圖2）的李薩如圖形.

圖2 頻率比為1：3的李薩如圖形

將各自的振幅值、角頻率和初相位輸入相應(yīng)的單元格中（圖二的表格陰影部分單元格），即可模擬出相應(yīng)的李薩如圖形.

3 意義

計算機軟件融入實驗數(shù)據(jù)處理的新模式.改變了傳統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)處理模式，從繁瑣的數(shù)據(jù)運算中解脫出來，進(jìn)入零數(shù)據(jù)運算狀態(tài)，真正成為實驗的主角，使學(xué)生自主分析數(shù)據(jù)的能力提升到一個更高的層次，為學(xué)生獨立完成實驗，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時交互和反饋，實現(xiàn)高效教學(xué)，加強學(xué)生綜合能力的培養(yǎng).

利用Excel軟件處理實驗數(shù)據(jù)，可以消除在處理數(shù)據(jù)時，人為引入的各種誤差，并能提高數(shù)據(jù)處理的精確度，按誤差理論要求，高效、準(zhǔn)確地處理大量的實驗數(shù)據(jù).同時可以彌補物理實驗課時減少的局面.可以縮短學(xué)生在課堂上做實驗的時間，使得有的實驗可以在2課時內(nèi)完成，為多開設(shè)實驗項目打下基礎(chǔ).

〔1〕洪煒寧.大學(xué)物理實驗教程[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2012．

〔2〕田睿，田碩.Excel軟件實現(xiàn)物理實驗數(shù)據(jù)的處理與分析[J].考試周刊，2009（下卷）（35）：179-180.

〔3〕蘭燕娜.Excel在大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用研究[J].赤峰學(xué)院學(xué)報，2012，26（12）：11-12.

TP317.3

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1673-260X（2013）12-0017-02