Mathstudio在大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理中的運用

魏鳳成

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Mathstudio在大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理中的運用

魏鳳成

（內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028043）

Mathstudio是一款可以安裝到移動平臺上，功能強大的科學(xué)計算和符號運算軟件。因其良好的便攜性、可操作性和超強的時代感，比以往只能在PC端才可以運行的大型數(shù)學(xué)軟件更加貼近學(xué)生。本文著重介紹了Mathstudio在大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理中的運用，以期對大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量的提高有所幫助。

大學(xué)物理實驗；數(shù)據(jù)處理；Mathstudio

大學(xué)物理實驗課是培養(yǎng)理工科低年級大學(xué)生實驗技能的必修課，它不僅可以加深學(xué)生對物理規(guī)律的理解，而且對學(xué)生基本科學(xué)能力的培養(yǎng)有非常重要的作用，并為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)[1-2]。由于實驗數(shù)據(jù)處理可以判斷實驗結(jié)果的正確與否以及實驗結(jié)果的精確程度；可以定量分析變量之間的關(guān)系，進一步解釋實驗現(xiàn)象，得出規(guī)律；還可以培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和良好的科學(xué)素養(yǎng)[3]。因此，實驗數(shù)據(jù)處理與分析是培養(yǎng)學(xué)生分析能力的重要一環(huán)。

實驗數(shù)據(jù)處理通常采用計算器處理和手工坐標紙繪圖，是一項極其繁雜的工作，耗時長，而且中間過程若出現(xiàn)計算上的操作失誤則不易查找。隨著計算、繪圖軟件的發(fā)展，越來越多的師生利用計算機軟件，例如Excel[4-5]、Origin[6-8]、Maple[9]、Matlab[10]等來處理實驗數(shù)據(jù)，物理實驗的精度和效率都得到了顯著提高。

近年來，隨著智能手機的高速發(fā)展，智能手機正變得越來越流行，幾乎每位大學(xué)生都有一臺智能手機。Mathstudio是一款可以安裝到移動平臺，包括智能手機、平板電腦等設(shè)備上，功能強大的科學(xué)計算和符號運算軟件，具有Maple和Matlab等符號運算和科學(xué)計算軟件的基本功能，而且軟件的大小只有1.01M[11]。Mathstudio以其良好的便攜性、可操作性和超強的時代感，比以往只有在PC端才可以運行的大型數(shù)學(xué)軟件更加貼近學(xué)生。學(xué)生們用Mathstudio處理實驗數(shù)據(jù)的熱情空前高漲，提高了對大學(xué)物理實驗的學(xué)習(xí)熱情，同時也使學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)處理能力得到全方位的提高。本文著重就Mathstudio在大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理中的運用做一個簡單的介紹，希望對大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量的提高有所幫助。

1 Mathstudio在單擺法測重力加速度實驗數(shù)據(jù)處理中的運用

表1 單擺周期T和擺長L的關(guān)系

如圖1所示，在Mathstudio命令行第1、3行，分別輸入擺長和周期的實驗數(shù)據(jù)；第2行的目的是將擺長的單位由“cm”換算成“m”；第4行是計算周期的平方；第5行是用線性回歸法對數(shù)據(jù)點進行擬合處理。由圖1可以看出，用Mathstudio所得結(jié)果與文獻[7]用Origin軟件給出的結(jié)果一致。

2 Mathstudio在牛頓環(huán)測透鏡曲率半徑實驗數(shù)據(jù)處理中的運用

利用文獻[8]中實驗數(shù)據(jù)，如表2所示。由牛頓環(huán)測透鏡曲率半徑的實驗原理得，其中為待測透鏡的曲率半徑，d為第級暗環(huán)的直徑，λ為入射單色光的波長。在實際操作中，常采用逐差法避免條紋級數(shù)和牛頓環(huán)中心難于確定的困難，該處條紋級數(shù)差取為10級，最終可得待測透鏡的曲率半徑。

表2 牛頓環(huán)測透鏡曲率半徑實驗數(shù)據(jù)

如圖2所示，在Mathstudio命令行第1、7行分別輸入待測暗環(huán)的級數(shù)；第2、3行和8、9行分別輸入待測暗環(huán)直徑左邊和右邊的實驗數(shù)據(jù)；第4、10行是用于求待測暗環(huán)的直徑；第5、11行求待測暗環(huán)直徑的平方；第12行輸入實驗中所用光波的波長，單位已轉(zhuǎn)換為mm；第13行，根據(jù)實驗原理，求待測透鏡的曲率半徑，此時其單位為mm；最后一條命令，是求解曲率半徑的平均值，單位已轉(zhuǎn)換為m。由圖2可以看出，用Mathstudio所得結(jié)果與文獻[8]給出的結(jié)果幾乎完全一致，而且具有更高的精度。

另外，由于待測透鏡曲率半徑和實驗用入射光波長λ不變，從公式易知，和滿足線性關(guān)系，二者的關(guān)系圖像也為一條直線，根據(jù)這條直線的斜率最終可得曲率半徑為。

如圖3所示，在Mathstudio命令行第1行輸入待測暗環(huán)的級數(shù)；在第2、3行輸入待測暗環(huán)直徑左邊和右邊的實驗數(shù)據(jù)；第4行是用于求待測暗環(huán)的直徑；在第5行，求待測暗環(huán)直徑的平方；第6行是用線性回歸法對數(shù)據(jù)點進行擬合處理；在第7行輸入計算得到的直線斜率；第8行輸入實驗中所用光波的波長，單位已轉(zhuǎn)換為mm；在第9行，根據(jù)原理，最終求得待測透鏡的曲率半徑，單位已轉(zhuǎn)換為m。由圖3可以看出，無論是用Mathstudio得到的直線斜率還是曲率半徑，都與文獻[8]中用Origin軟件給出的結(jié)果幾乎一致，表現(xiàn)出其功能強大的一面。

3 小結(jié)

Mathstudio是一款可以安裝到移動平臺上，功能強大的科學(xué)計算和符號運算軟件。通過在單擺法測重力加速度和牛頓環(huán)測透鏡曲率半徑實驗數(shù)據(jù)處理中的實例驗證，說明Mathstudio具有很強的可操作性。將Mathstudio軟件引入大學(xué)物理實驗課堂教學(xué)，可使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，增強教學(xué)效果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

參考文獻：

[1] 魏鳳成. 對非物理專業(yè)物理實驗課程教學(xué)的改革[J]. 天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報，2014，21（4）：62-64.

[2] 謝亮，張進治，鐵小勻，等. 提高大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量的新舉措[J]. 教育教學(xué)論壇，2015（36）：237-238.

[3] 張弘強. 大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理方法改革的探索與實踐[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，31（8）：255-257.

[4] 羅春霞. Excel軟件在偏振光實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，2014（18）：135-136.

[5] 周政. Excel和Origin在物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].價值工程，2014（9）：184-185.

[6] 黨隨虎. Origin在大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2015（20）：230.

[7] 郝長春 孫潤廣. Origin9.0軟件在大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用探討[J]. 大學(xué)物理實驗，2015，28（4）：90-91，95.

[8] 徐海英，唐曙光，闞彩俠 等. 逐差法和Origin7.0軟件在牛頓環(huán)實驗數(shù)據(jù)處理中的比較[J]. 大學(xué)物理實驗，2015，28（1）：99-100.

[9] 劉宏軍 林淋. 基于軟件Maple平臺上的土工實驗物理實驗數(shù)據(jù)處理及分析研究[J]. 黑龍江交通科技，2010，192（2）：38，40.

[10] 李同偉，王翚，孫紅章. 大學(xué)物理實驗教學(xué)中基于MATLAB的液體表面張力系數(shù)測定的實驗數(shù)據(jù)處理[J]. 教育教學(xué)論壇，2015（33）：237-238.

[11] 高超. 基于Math Studio的高職數(shù)學(xué)繪圖教學(xué)改革與實踐[J]. 學(xué)園，2014（27）：67-68.

Applications of Mathstudio in Data Processing of College Physical Experiments

WEI Feng-cheng

（College of Physics and Electronic Information, Inner Mongolia University for the Nationalities, Tongliao 028043, Inner Mongolia, China）

Mathstudio is a powerful scientific computation and symbolic computation software, which can be installed on the mobile platform. Due to the excellent portability, operability and superior contemporary, Mathstudio is much closer to the students than the large-scale mathematical softwares, which can only be run in the personal computer. This paper emphasizes its use in data processing of college physical experiments, hoping to improve the quality of teaching and learning of college physical experiments.

college physical experiments; data processing; Mathstudio

N33

A

1008-5394（2016）03-0066-03

2015-10-10

魏鳳成（1957-），男，內(nèi)蒙古通遼人，高級實驗師，學(xué)士，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)工作。E-mail：weifengcheng2004@163.com。