淺談計算機技術對物理實驗數據處理的重要作用

石浩辰　祁金剛　韓飛　髙允鋒

摘 要：當前，物理理論課堂教學隨著教學體制改革正不斷地革新，而實驗教學板塊受到的重視程度卻不夠。尤其是基礎物理實驗，許多此類課程仍延續著以前的教學模式，實驗內容少，類型單一，數據處理方式落后。將現有計算機技術應用于實驗教學具有深遠的積極作用。本文以物體的慣性質量測定實驗為例，利用新興的計算機軟件和技術，對實驗數據進行分析擬合。把實驗數據處理成直觀可視的圖形、曲線，以便于學生分析數據的變化趨勢及規律。這種實驗數據處理方式在一定程度上能促進學生的實驗綜合能力的提高。

關鍵詞：物理實驗；線性擬合；最小二乘法；慣性質量

物理實驗是培養學生基本實驗操作技能、創新性思維和綜合實踐能力的重要教學環節，也是提升學生探究問題、分析數據和解決難題能力的重要手段。而復雜繁瑣的近代物理實驗和專業性極強的高等實驗需要扎實的實驗數據分析能力。所以，教師在前期基礎物理實驗教學環節，一定要重視對實驗數據處理、分析能力的指導。以實驗作圖為例，目前大部分實驗作圖都是通過在坐標紙上手動繪制來實現的。由于數據的復雜多變，曲線擬合方式眾多，使得實驗圖像結果準確性大幅度降低，在增加了繁瑣操作的同時，也降低了學生對實驗本身內涵的探究熱情。本文以物體的慣性質量測定實驗為例，針對Excel和Origin軟件處理數據的方法進行詳細闡述和分析，為此類教學方法的革新提供一些參考意見。

1 實驗原理及方法

由牛頓第二定律得來的質量稱為慣性質量，它不同于引力質量，是物理的慣性度量。本實驗用慣性秤稱衡的物體質量就是物體的慣性質量。

由相關系數r的定義可知，|r|越趨近于1，散點圖所擬合的圖線線性相關程度越高。本實驗相關系數r 的絕對值約為0.9997，非常趨近于1，說明其線性相關程度極好。在求出擬合曲線表達式以后，即可通過測量其他物體的振動周期從而推算得出其慣性質量。

3 分析及結論

物理實驗理論性強、以及不可避免的實驗儀器老化、不穩定的機械缺陷，使得學生在實驗中總是得出較大誤差的實驗數據，在一定程度上影響了學生對實驗結果，結論的判斷，同時也削弱了學生主動學習的積極性。由于數據處理方式陳舊而導致的此類現象更加明顯，利用坐標紙手動繪制圖線與真實結論差異較大，極大程度上影響了學生對實驗結果的討論和分析。利用計算機繪制、擬合實驗數據所得圖線能夠明顯提升整個實驗教學效果，而且操作快捷簡單。具體方法概括即為：錄入數據→插入散點圖→擬合趨勢線→分析求出參數。

以上述實驗為例，利用Excel和Origin擬合線性圖線的具體操作方式分別如圖2、圖3所示，擬合的同時，可直接利用軟件求出曲線的線性表達式及相關系數。擬合數據后，可利用軟件中數據分析操作中的“模擬分析”里的“單變量求解”對數據進行分析。利用已知因變量推導得出其對應的自變量數值。如上述實驗中，已知物體在慣性秤上的振動周期，即可推算得出其慣性質量。

4 結語

在散點圖擬合曲線并求得其解析式時，利用最小二乘法擬合的直線解析式比手動繪制圖線求解得出的函數關系式精準得多。同時，合理地使用現代的計算機技術會簡化其中繁瑣的計算過程，提高學生的學習熱情。以實現對學生動手能力、分析探究問題能力以及創新思維更高效的指導教學。結合現有的實驗儀器和設備，對這些計算機方面的知識進行預教學講解，這種教學方法能促使學生自主探究，真正意義上的自主解決問題。實驗課程是人才培養教學工作必不可少的重要部分，教師應注重加強實踐教學，從而更有效地實現理論知識向實踐成果的轉化。

參考文獻：

[1]李玉麗.創新型人才培養視角下的實驗教學改革[J].課程教育研究，2017（45）：250.

[2]張鳳琴，林曉瓏，王逍.創新人才培養下的大學物理實驗教學改革研究[J].大學物理，2017，36（03）：36-39.

[3]何永凡，周紅，周曉兵，彭長宇.利用大學物理實驗平臺培養學生實踐創新能力[J].實驗技術與管理，2016，33（06）：180-183.