基于VB的旋轉液體實驗數據分析與處理

摘 要：旋轉液體實驗是當前高校物理實驗中常見的一個實驗，通過該實驗可以測量諸多的物理量。在實驗教學中，我們往往采用最小二乘法處理數據。但面對諸多非整數的數據，采用手工計算方式繁瑣且容易出錯。該文利用VB語言設計并實現了旋轉液體實驗重力加速度g的數據處理程序，免去了手工計算的繁瑣，提高了計算結果的準確性，同時能夠以圖形方式直觀展示相關數據及其擬合曲線的關系。通過實踐，該程序極大地提高了實驗教學的效率和質量，對實驗教學起到了很好的促進作用。

關鍵詞：旋轉液體 VB 數據分析

中圖分類號：TE928 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（c）-0091-03

旋轉液體實驗[1-2]是當前高校物理實驗中常見的一個實驗。日常生活中，我們知道當一杯水旋轉時，水會沿著杯壁上升。當水杯以不同速度旋轉時，水杯內的液體呈現不同的拋物面形狀。當旋轉速度穩定時，拋物面形狀也相對穩定。對旋轉液體形成的拋物面既可作為力學系統進行研究，也可作為光學系統進行分析。我們常用來測量重力加速度g及光學透鏡焦距f。在測量及計算的過程中，會涉及到比較多的非整數實驗數據，計算過程又比較繁瑣，采用傳統的手工或計算器計算費時費力，還十分容易出錯。如果借助于計算機程序進行處理，不僅能極大簡化計算過程，保證計算結果的準確性，還可以對實驗數據做一些擴展處理，豐富實驗內容，從而有助于學生對實驗有更深入的認識?；谏鲜瞿康?，該文運用VB語言設計[3]并實現了利用旋轉液體實驗測量重力加速度值的功能。

1 利用旋轉液體實驗測量重力加速度的原理

一個盛有液體的圓柱形容器繞其中心對稱軸勻速轉動，最終將形成一穩定的拋物面。轉速不同，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元，當處于平衡狀態時，且，此時該點P（x，y）的切向與水平面的夾角滿足：

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

實驗時，讓激光束平行轉軸經過透明屏幕，打在的液面A點上，反射光點為C，A處切線方向的夾角為θ，測出透明屏幕至圓桶底部的距離H、液面靜止高度，以及兩光點間的距離d，則，從而可求出θ值。

因為，在處，?？勺髑€，求出斜率，從而計算出。實驗教學過程中，我們常使用最小二乘法求斜率。

2 數據處理系統實現

2.1 系統應實現的功能

（1）簡化實驗數據的計算過程，能快速、準確地計算出實驗結果。

（2）利用計算機強大的數據及圖形處理能力，對實驗結果做一些簡單的分析及圖形化處理，有助于學生加深對實驗的理解。

（3）實驗測量數據及計算數據能按指定格式保存以作進一步數據分析。

（4）應具有良好的人機交互界面，方便使用者輸入實驗數據。

2.2 系統功能的實現

以系統功能為依據，結合實驗實際，該文設計了圖2所示的系統界面。

整個程序界面劃分為四個區：

（1）實驗數據測量區：主要用來輸入實驗過程中需要測量出的數據，其中又分靜態數據和動態數據。實驗過程中，為減小測量誤差對實驗結果的影響，往往會對同一個數據進行多次測量?！靶ｒ灐卑粹o用來檢測實驗數據的誤差，當某個數據的測量值相互之間相差超過設定值時，系統會自動進行提示及標注?！坝嬎恪卑粹o用來對測量數據進行計算，計算產生的數據會顯示在“實驗數據處理區”，最終計算結果會顯示在“計算結果”區，同時也會在圖形顯示區進行標注?！扒蹇铡卑粹o用來對實驗數據重置。

（2）實驗數據處理區：用來顯示對實驗測量數據進行計算時產生的一些中間數據。

（3）圖形顯示區：用圖形顯示使用最小二乘法做出的擬合曲線，使實驗者對實驗數據有更直觀的認識。該實驗中，X軸表示，Y軸表示。

（4）計算結果區：用來顯示實驗數據處理的最終結果，同時允許實驗者導出計算結果，以便于做進一步的數據分析。

2.3 系統功能驗證

該文以上海某高校的實驗數據（表1）為例，進行數據驗證。

圖3為實驗數據中間量的計算結果，圖4為，圖5為經最小二乘法處理的擬合曲線。通過與傳統計算器計算方式的比較，本程序在時間、人力消耗、計算結果的準確性與穩定性上具有相當大的優勢。

3 結語

該文使用VB語言編寫并實現了利用旋轉液體特性求重力加速度實驗的數據處理程序，采用圖形處理界面，簡單易用，極大地方便了教師和學生處理實驗數據，大大提高了實驗效率與質量，方便控制教學進度，對物理教學起到了很好的促進作用。同時，也使學生從繁瑣的數據計算中解脫，有更多的精力、時間、興趣對實驗本身做進一步思考，對實驗數據做進一步分析。

參考文獻

[1] 王紅巖，張國瑱，林樹.大學物理實驗[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2] 袁野，晏湖根，陸申龍，等.旋轉液體實驗裝置的設計[J].物理實驗，2004，24（2）：43-46.

[3] 張麗娜.基于VB的密立根油滴實驗數據分析與處理[J].科技創新導報，2015（13）：23-24.