基于VB的旋轉(zhuǎn)液體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理

摘 要：旋轉(zhuǎn)液體實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前高校物理實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以測(cè)量諸多的物理量。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們往往采用最小二乘法處理數(shù)據(jù)。但面對(duì)諸多非整數(shù)的數(shù)據(jù)，采用手工計(jì)算方式繁瑣且容易出錯(cuò)。該文利用VB語(yǔ)言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)液體實(shí)驗(yàn)重力加速度g的數(shù)據(jù)處理程序，免去了手工計(jì)算的繁瑣，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)能夠以圖形方式直觀展示相關(guān)數(shù)據(jù)及其擬合曲線的關(guān)系。通過(guò)實(shí)踐，該程序極大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了很好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)液體 VB 數(shù)據(jù)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TE928 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（c）-0091-03

旋轉(zhuǎn)液體實(shí)驗(yàn)[1-2]是當(dāng)前高校物理實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。日常生活中，我們知道當(dāng)一杯水旋轉(zhuǎn)時(shí)，水會(huì)沿著杯壁上升。當(dāng)水杯以不同速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，水杯內(nèi)的液體呈現(xiàn)不同的拋物面形狀。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定時(shí)，拋物面形狀也相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)旋轉(zhuǎn)液體形成的拋物面既可作為力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究，也可作為光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析。我們常用來(lái)測(cè)量重力加速度g及光學(xué)透鏡焦距f。在測(cè)量及計(jì)算的過(guò)程中，會(huì)涉及到比較多的非整數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算過(guò)程又比較繁瑣，采用傳統(tǒng)的手工或計(jì)算器計(jì)算費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還十分容易出錯(cuò)。如果借助于計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行處理，不僅能極大簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做一些擴(kuò)展處理，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)有更深入的認(rèn)識(shí)?；谏鲜瞿康模撐倪\(yùn)用VB語(yǔ)言設(shè)計(jì)[3]并實(shí)現(xiàn)了利用旋轉(zhuǎn)液體實(shí)驗(yàn)測(cè)量重力加速度值的功能。

1 利用旋轉(zhuǎn)液體實(shí)驗(yàn)測(cè)量重力加速度的原理

一個(gè)盛有液體的圓柱形容器繞其中心對(duì)稱(chēng)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，最終將形成一穩(wěn)定的拋物面。轉(zhuǎn)速不同，拋物面的形狀也不同，如圖1所示。

考慮位于液面上的任一質(zhì)元，當(dāng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，且，此時(shí)該點(diǎn)P（x，y）的切向與水平面的夾角滿(mǎn)足：

由方程（1）和方程（2），得y時(shí)，x=x0=。即在處，不論液體轉(zhuǎn)速ω為何值，y=（x0），x0。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓激光束平行轉(zhuǎn)軸經(jīng)過(guò)透明屏幕，打在的液面A點(diǎn)上，反射光點(diǎn)為C，A處切線方向的夾角為θ，測(cè)出透明屏幕至圓桶底部的距離H、液面靜止高度，以及兩光點(diǎn)間的距離d，則，從而可求出θ值。

因?yàn)?，在處，?？勺髑€，求出斜率，從而計(jì)算出。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，我們常使用最小二乘法求斜率。

2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能

（1）簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程，能快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（2）利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)及圖形處理能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做一些簡(jiǎn)單的分析及圖形化處理，有助于學(xué)生加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。

（3）實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)能按指定格式保存以作進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析。

（4）應(yīng)具有良好的人機(jī)交互界面，方便使用者輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

以系統(tǒng)功能為依據(jù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)際，該文設(shè)計(jì)了圖2所示的系統(tǒng)界面。

整個(gè)程序界面劃分為四個(gè)區(qū)：

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量區(qū)：主要用來(lái)輸入實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)量出的數(shù)據(jù)，其中又分靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為減小測(cè)量誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，往往會(huì)對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次測(cè)量?！靶ｒ?yàn)”按鈕用來(lái)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)的測(cè)量值相互之間相差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行提示及標(biāo)注?！坝?jì)算”按鈕用來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會(huì)顯示在“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理區(qū)”，最終計(jì)算結(jié)果會(huì)顯示在“計(jì)算結(jié)果”區(qū)，同時(shí)也會(huì)在圖形顯示區(qū)進(jìn)行標(biāo)注?！扒蹇铡卑粹o用來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重置。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理區(qū)：用來(lái)顯示對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的一些中間數(shù)據(jù)。

（3）圖形顯示區(qū)：用圖形顯示使用最小二乘法做出的擬合曲線，使實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有更直觀的認(rèn)識(shí)。該實(shí)驗(yàn)中，X軸表示，Y軸表示。

（4）計(jì)算結(jié)果區(qū)：用來(lái)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的最終結(jié)果，同時(shí)允許實(shí)驗(yàn)者導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果，以便于做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。

2.3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

該文以上海某高校的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）為例，進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

圖3為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中間量的計(jì)算結(jié)果，圖4為，圖5為經(jīng)最小二乘法處理的擬合曲線。通過(guò)與傳統(tǒng)計(jì)算器計(jì)算方式的比較，本程序在時(shí)間、人力消耗、計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性上具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

該文使用VB語(yǔ)言編寫(xiě)并實(shí)現(xiàn)了利用旋轉(zhuǎn)液體特性求重力加速度實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理程序，采用圖形處理界面，簡(jiǎn)單易用，極大地方便了教師和學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率與質(zhì)量，方便控制教學(xué)進(jìn)度，對(duì)物理教學(xué)起到了很好的促進(jìn)作用。同時(shí)，也使學(xué)生從繁瑣的數(shù)據(jù)計(jì)算中解脫，有更多的精力、時(shí)間、興趣對(duì)實(shí)驗(yàn)本身做進(jìn)一步思考，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析。

參考文獻(xiàn)

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