高中物理实验数据处理的创新实践

    盛宇航

    

    

    

    摘? 要 物理实验在中学教学中具有不可替代的作用。对高中学生来说，物理实验可以培养学生的动手能力、观察能力和分析能力。Microcal Origin软件具有强大的数据处理与拟合功能，操作起来简便实用，数据处理过程快，因此深受科技工作者喜爱。讨论学生如何利用物理实验课所测得的数据通过Microcal Origin 7.5进行数据处理分析，采用计算机辅助实验数据处理可以省去不必要的重复计算，加深学生对于实验所体现的物理规律的掌握，提高学生学习物理的积极性。

    关键词 高中物理;物理实验;实验数据;Microcal Origin;计算机

    中图分类号：G633.7? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）15-0102-02

    1 引言

    物理实验在中学教学中具有不可替代的作用。对高中学生来说，物理实验可以培养他们的动手能力、观察能力和分析能力。进行物理实验，不光是对各种物理量进行测量，更重要的是需要对所测量出来的数据进行分析与计算，找到各物理量之间的规律和联系。然而，如今各学校物理实验课安排的课时普遍较少，在一节实验课里，既要完成教师对实验原理的讲解、实验操作的示范，又要学生进行实验、测量数据，往往就很难再有时间在课堂上进行复杂的运算与数据处理。而且高中阶段的有些实验计算相对繁杂且重复步骤较多，许多学生往往因此会失去对物理的学习兴趣。

    Microcal Origin软件具有强大的数据处理与拟合功能，操作起来简便实用，数据处理过程快，因此深受科技工作者喜爱。采用计算机辅助实验数据处理，可以省去不必要的重复计算，加深学生对于实验所体现的物理规律的掌握，提高学生学习物理的积极性。那么，学生如何利用Microcal Origin 7.5软件对物理实验课所测得的数据过进行数据处理分析，包括直线作图、曲线方程拟合和实现光学实验图像的仿真？

    2 利用Microcal Origin进行直线作图

    直线作图是物理实验中一种常用的数据处理法，通常在坐标纸上进行。让学生按照实验数据在坐标纸上画图，虽然可以提高学生的思考能力，但对于高中生来说，高中阶段绝大部分实验是验证性实验，通过前面理论课的学习，学生作图前一般知道所画图像是一条直线，所以也就失去了探知的兴趣，面对繁杂重复的描点，往往不愿花费过多的时间，因此总是应付了事，作出的图像也往往比较潦草凌乱。

    利用Origin软件，不仅可以作出漂亮、准确的图形，而且可以给出直线方程的一些重要参数。较为普遍的二维图形的绘图样式有“Line”（线图）、“Scatter”（散点图）、“Line+Scatter”（点线图）等。下边以测量电阻的伏安特性实验为例来说明。

    对于定值电阻，流过电阻的电流和电阻两端的电压成正比。学生测得的实验数据如表1所示。将用来作图的数据输入Origin的工作簿（Worksheet）上，选择数据，点击绘图—直线，就可以得到图1所示的图形。作图时的坐标显示范围、间隔等均可以自由调整。可以看到，Origin软件不仅给出了图像，而且给出了直线的参数和误差。可以看到，对于此次输入的实验数据，软件给出了直线参数a=-0.394 56±0.117 81，b=4.959 67±0.036 07，其中参数b就是图中直线的斜率。利用所给数据，可以很方便准确地求出电阻的阻值。

    在高中阶段，测量电源的电动势、验证牛顿运动定律等实验，均可以借助此方法完成作图。

    3 利用Microcal Origin进行非线性拟合

    非线性曲线拟合一直是物理实验数据处理過程中的难点，用最小二乘法拟合曲线工作非常复杂，往往需要实验者凭经验给出参数方程，还要检验相关系数正确与否，对于高中生来讲难度过大。即使知道所需拟合的方程形式，巨大的计算工作量也很难通过笔算完成，因此，借助计算机的帮助是必不可少的。Origin软件中有各种形式的非线性方程，而且可以让实验者自定义方程的形式和参数，操作非常方便。拟合出的曲线可以给出方程的具体参数和拟合相关系数等重要数值。下面通过热敏电阻这个实验实例来加以说明。

    对于NTC型热敏电阻，其电阻温度的关系可用表示，指数上的系数B为负值。由于非线性拟合非常困难，大多数学校在这个实验中对上式进行对数处理，变换成

    ，然后做与lnR的直线关系。这种方法虽然间接证明出上述关系，但是学生很难直观形象地得到NTC热敏电阻的电阻温度变化曲线。

    利用Microcal Origin的非线性拟合功能则很容易实现。热敏电阻的测试采用恒流源法和电桥法两种方法测量，实验所得数据如表2所示。将数据输入Worksheet中，点击分析—非线性拟合，选择高级拟合工具，选择相对应的方程。可以选择需要哪些参数进行变化，然后点击“拟合”即可得到图2和图3所示图像。从图中可以看出，两条曲线的拟合相关系数均在0.99以上，说明用此方程拟合是正确的。图中给出曲线方程的参数A和B，并且很直观地向学生展现了热敏电阻的温度变化规律。

    其他一些实验，如小灯泡伏安特性、三棱镜色散曲线、光敏电阻光照特性等均可用这种方法进行非线性拟合。

    4 思考与展望

    现今，计算机已经在高中学生中普及使用，高中数学新教材也要求学生掌握一些基本的程序和算法，部分学生的计算机水平也较好。如果利用计算机辅助进行物理实验数据处理，不仅可以节约时间，而且会增强处理数据的准确性，提高物理实验课程对学生的吸引力。

    在高中物理实验教学中应用Microcal Origin软件进行直线作图、非线性拟合、图像仿真等工作，可以看出，具有操作简便、作图效果好、拟合程度高、仿真效果形象逼真的特点。利用信息技术辅助物理实验，可以提高学生在实验中的数据处理效率，加深学生对于实验现象的理解和对物理规律的掌握，有助于增强物理实验课的课堂教学效果。

    利用Origin软件可以进行作图、统计、寻峰、非线性拟合、傅立叶变换等多种数据处理操作，数据库中有多种作图模板和各种复杂的曲线方程。该软件对计算机硬件配置要求很低，普通的计算机均可安装此程序，而且使用过程中也不需要像MATLAB等软件需要进行复杂的编程操作，只需要按相应的要求进行选择就可以了，很适合高中学生操作。