Matlab軟件在物理實驗數據處理中的應用

侯春枝 楊 肖 宋海珍 盧 成 李根全

（南陽師范學院物理與電子工程學院，河南 南陽 473061）

物理實驗中經常需要處理大量的重要實驗數據，然而數據的處理卻往往十分繁瑣.不僅如此，數據處理過程中容易出現錯誤，并且出現錯誤之后很難發現.如果采用傳統的手工作圖的處理方法，工作量很大，耗時也很長，手工實驗數據擬合結果粗糙且會引入附加誤差，這樣會大大影響實驗結果.因此選用合理高效的數據處理方法就顯得尤為重要.Matlab（Matrix Laboratory）軟件是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件［1］.相對于其他科技應用軟件，Matlab具有強大的繪圖和數據分析功能，僅需簡單計算機語言便可實現對數據編輯、整理、統計分析以及圖形的繪制.這樣不僅工作效率高，而且還大大增強結果分析的準確性，最大程度上減少了實驗誤差.

目前，已有一些關于運用Matlab 軟件對物理 實驗數 據 處 理 的 報 道.［2－7］譬 如，劉［3］等 人 利 用Matlab 語言通過最小二乘法進行曲線擬合對銅－鐵熱電偶的實驗數據進行了處理，討論了Matlab處理物理實驗數據的優點.藍［4］等人運用Matlab語言進行循環編程，繪制出了鈉原子的能級圖.劉［5］等人利用Matlab的GUI圖形編輯器工具，方便快捷地計算出了光柵常數及角色散率.以單擺測重力加速度實驗的數據處理為例，姚［7］探討了用Matlab 語言對物理實驗數據進行最小二乘法的處理.但是關于Matlab軟件的線性回歸和交互式繪圖的研究卻很少.本文以霍爾效應實驗為例，主要介紹了利用Matlab軟件的線性回歸、曲線擬合和交互式繪圖的方法，說明Matlab軟件可以通過簡單編程擬合出霍爾電壓隨工作電流的變化曲線，進而得出霍爾系數和霍爾靈敏度，能有效避免手工繪圖處理帶來的誤差.

1 實驗原理

置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場方向垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產生一附加橫向電場，這個現象稱為霍爾效應.本文以N 型半導體試樣為例，設e為載流子（電子）電量，v為載流子在電流方向上的平均定向漂移速率，B為磁感應強度，F1為洛倫茲力，其方向豎直向下.則試樣中載流子將受洛倫茲力的大小為

此時試樣中載流子將受一個與F1方向相反的橫向電場力F2，其大小為

從式（2）可以看出，F2的大小是隨電荷的積累而增大，達到穩恒狀態時，兩個力平衡，即載流子所受的橫向電場力eE 與洛倫茲力evB 大小相等，方向相反，故有

假設試樣的寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，則電流強度IS與v 的關系為

由式（3）、（4）可得

即霍爾電壓UH與ISB 乘積成正比且與試樣厚度d 成反比.其中RH可表示為

它是反映材料霍爾效應強弱的重要參數，即霍爾系數.且K 為圖線UH－IS的斜率，b為圖線UH－IS的截距.霍爾靈敏度用KH來表示，即

2 實驗結果與數據處理

由霍爾電壓UH與霍爾工作電流IS的關系，利用Matlab軟件繪制UH－IS曲線.保持勵磁電流IM不變，大小恒為0.6A，IS取值1.00～4.00mA，厚度d 為0.5mm，B 為0.2388T.其中UH＝（U1－U2＋U3－U4）/4.表1為實驗測得的IS與UH的數據表.

表1 與霍爾工作電流對應的4個不同方向的霍爾電壓和平均電壓

2.1 多元線性回歸方法

實驗中，一種現象常常與多個因素相聯系，由多個自變量的最優組合共同來預測或估計自變量，稱為多元線性回歸.在Matlab的Comand Window 中輸入指令：

圖1 霍爾電壓隨工作電流的變化曲線圖

圖2 殘差分析圖

從程序的結果可知b＝0.0067，K＝－3.3707；b的置信區間是［－0.0027，0.0161］，K 的置信區間為［－3.3752，－3.3662］，說明b和K 都是合理的，又p＝0＜0.05，因此圖1的回歸模型為y＝0.0067－3.3707x.從殘差分析圖2中可以看出，除少數幾個數據點外，其余數據的殘差離零點較近，且殘差的置信區間均包含零點，這說明回歸模型y＝0.0067－3.3707x 能較好地符合原始數據.所以霍爾靈敏度KH為－14.1152，霍爾系數RH為－0.0071.由以上的數據處理可知，Matlab軟件的多元線性回歸可以有效地處理實驗數據，具有簡單快捷的特點.

2.2 曲線擬合方法

擬合是指已知某函數的若干離散函數值，通過調整該函數中若干待定系數，使得該函數與已知點集的差別最小.為得到UH－IS的擬合曲線，我們在Matlab軟件的M 文件中輸入程序：

將程序保存之后再運行，可以得到如下結果：

圖3 霍爾電壓隨工作電流的變化曲線圖

由結果可知，擬合直線方程式為y＝0.0067－3.3707x，擬合直線的相關系數r＝1，所以霍爾靈敏度KH為－14.1152，霍爾系數RH為－0.0071.圖3為UH－IS擬合曲線，圖3中“o”表示實驗數據點，“＋”表示擬合直線.從運行結果可以看出，所測量的實驗數據無錯誤數據，實驗數據點合理地分布在擬合直線上，相關系數r等于1.說明用線性回歸函數比較合理，從而說明了UH和IS的線性相關性較好.

根據Matlab軟件繪制霍爾電壓與工作電流之間的變化關系圖，再利用曲線擬合所有實驗點，并在直線上取任意兩點求出直線的斜率，進而很容易得出霍爾系數和霍爾靈敏度，因此在實驗前，如果能編好一個實驗程序就可以處理大量的實驗數據.

2.3 交互式繪圖方法

首先在Matlab的Comand Window 中輸入如下指令：

再按回車鍵，出現操作界面中曲線，如圖4所示.

由圖4的散點圖可知，這些點近似趨于一條直線，因此采用線性擬合方法.從圖4 可得，擬合曲線方程式為y＝－3.4x＋0.0067，誤差為0.052751，遠小于1，說明擬合的曲線很合理.所以求得的霍爾靈敏度KH為－14.2379，霍爾系數RH為－0.0071.由以上操作可知，Matlab軟件的交互式繪圖不僅提供了一個完美的圖形用戶界面，用戶不需計算機數據專業知識即可操作完成，而且可以方便快捷地處理實驗數據，構造出物理圖像，并利用殘差分析使學生更好地理解物理現象及物理規律.因此，Matlab軟件具有提供迅速、準確的信息，清晰的圖形［8－10］，簡單直觀的可視化操作過程和開放性強的特點.

圖4 Matlab操作界面中曲線

3 結語

Matlab軟件簡單易學，應用領域廣泛.文章以霍爾效應實驗為例，通過運用Matlab軟件進行簡單編程，對實驗的數據進行了處理，展示了其在大學物理教學中的成功應用.Matlab計算與圖形功能強大，不僅給物理實驗教學帶來了極大的方便，同時也使物理實驗變得更加生動.在實驗課程中加入Matlab軟件輔助教學，可以更加直觀地反映實驗結果。這對物理實驗教學起到了較大的促進作用，適合在物理實驗教學中應用.

［1］崔祥霞.圓孔圓環夫瑯禾費衍射實驗的Matlab仿真［J］.物理與工程，2010，20（5）：34－36.

［2］楊經國.大學近代物理實驗［M］.成都：四川大學出版社，2003.

［3］劉揚正.利用Matlab語言對物理實驗數據進行處理［J］.物理與工程，2001，11（5）：35－36.

［4］藍發超，唐宇.基于Matlab的鈉原子光譜實驗數據的處理［J］.廣西物理，2007，28（3）：39－41.

［5］劉源，焦鵬杰，王文歡.基于Matlab軟件的分光計實驗數據處理系統的設計［J］.電腦開發與應用，2009，22（5）：62－63.

［6］李飛，吳云峰，張萍，等.基于Matlab的霍爾效應實驗數據處理［J］.實驗室研究與探討，2011，30（1）：58－61.

［7］姚琴芳.Matlab語言在物理實驗數據處理中的應用［J］.大學物理實驗，2011，24（6）：52－53.

［8］張雅男，徐飛，葉影.Matlab模擬靜電場與模擬靜電場實驗的比較［J］.物理與工程，2008，18（2）：35－37.

［9］石涵.用Matlab研究李薩如圖形及討論［J］.物理與工程，2009，19（1）：64－67.

［10］楊坤，蘇玉玲，沈巖，等.LabVIEW 與Matlab在信息光學教學中的應用［J］.物理與工程，2011，21（2）：39－42.