基于VB的旋轉(zhuǎn)液體實驗數(shù)據(jù)分析與處理

摘 要：旋轉(zhuǎn)液體實驗是當(dāng)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(xué)中，我們往往采用最小二乘法處理數(shù)據(jù)。但面對諸多非整數(shù)的數(shù)據(jù)，采用手工計算方式繁瑣且容易出錯。該文利用VB語言設(shè)計并實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)液體實驗重力加速度g的數(shù)據(jù)處理程序，免去了手工計算的繁瑣，提高了計算結(jié)果的準確性，同時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。通過實踐，該程序極大地提高了實驗教學(xué)的效率和質(zhì)量，對實驗教學(xué)起到了很好的促進作用。

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

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

旋轉(zhuǎn)液體實驗[1-2]是當(dāng)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(dāng)一杯水旋轉(zhuǎn)時，水會沿著杯壁上升。當(dāng)水杯以不同速度旋轉(zhuǎn)時，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，拋物面形狀也相對穩(wěn)定。對旋轉(zhuǎn)液體形成的拋物面既可作為力學(xué)系統(tǒng)進行研究，也可作為光學(xué)系統(tǒng)進行分析。我們常用來測量重力加速度g及光學(xué)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(shù)實驗數(shù)據(jù)，計算過程又比較繁瑣，采用傳統(tǒng)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(jié)果的準確性，還可以對實驗數(shù)據(jù)做一些擴展處理，豐富實驗內(nèi)容，從而有助于學(xué)生對實驗有更深入的認識。基于上述目的，該文運用VB語言設(shè)計[3]并實現(xiàn)了利用旋轉(zhuǎn)液體實驗測量重力加速度值的功能。

1 利用旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，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，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(zhuǎn)速ω為何值，y=（x0），x0。

實驗時，讓激光束平行轉(zhuǎn)軸經(jīng)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，。可作曲線，求出斜率，從而計算出。實驗教學(xué)過程中，我們常使用最小二乘法求斜率。

2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的功能

（1）簡化實驗數(shù)據(jù)的計算過程，能快速、準確地計算出實驗結(jié)果。

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

（3）實驗測量數(shù)據(jù)及計算數(shù)據(jù)能按指定格式保存以作進一步數(shù)據(jù)分析。

（4）應(yīng)具有良好的人機交互界面，方便使用者輸入實驗數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

以系統(tǒng)功能為依據(jù)，結(jié)合實驗實際，該文設(shè)計了圖2所示的系統(tǒng)界面。

整個程序界面劃分為四個區(qū)：

（1）實驗數(shù)據(jù)測量區(qū)：主要用來輸入實驗過程中需要測量出的數(shù)據(jù)，其中又分靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。實驗過程中，為減小測量誤差對實驗結(jié)果的影響，往往會對同一個數(shù)據(jù)進行多次測量。“校驗”按鈕用來檢測實驗數(shù)據(jù)的誤差，當(dāng)某個數(shù)據(jù)的測量值相互之間相差超過設(shè)定值時，系統(tǒng)會自動進行提示及標(biāo)注。“計算”按鈕用來對測量數(shù)據(jù)進行計算，計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會顯示在“實驗數(shù)據(jù)處理區(qū)”，最終計算結(jié)果會顯示在“計算結(jié)果”區(qū)，同時也會在圖形顯示區(qū)進行標(biāo)注。“清空”按鈕用來對實驗數(shù)據(jù)重置。

（2）實驗數(shù)據(jù)處理區(qū)：用來顯示對實驗測量數(shù)據(jù)進行計算時產(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，使實驗者對實驗數(shù)據(jù)有更直觀的認識。該實驗中，X軸表示，Y軸表示。

（4）計算結(jié)果區(qū)：用來顯示實驗數(shù)據(jù)處理的最終結(jié)果，同時允許實驗者導(dǎo)出計算結(jié)果，以便于做進一步的數(shù)據(jù)分析。

2.3 系統(tǒng)功能驗證

該文以上海某高校的實驗數(shù)據(jù)（表1）為例，進行數(shù)據(jù)驗證。

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

3 結(jié)語

該文使用VB語言編寫并實現(xiàn)了利用旋轉(zhuǎn)液體特性求重力加速度實驗的數(shù)據(jù)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(xué)生處理實驗數(shù)據(jù)，大大提高了實驗效率與質(zhì)量，方便控制教學(xué)進度，對物理教學(xué)起到了很好的促進作用。同時，也使學(xué)生從繁瑣的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)做進一步分析。

參考文獻

[1] 王紅巖，張國瑱，林樹.大學(xué)物理實驗[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 袁野，晏湖根，陸申龍，等.旋轉(zhuǎn)液體實驗裝置的設(shè)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(shù)據(jù)分析與處理[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2015（13）：23-24.