对比两类计算机工具在大学物理实验数据处理中的应用

穆松梅　刘文成　王洋洋

摘 要： 利用计算机处理实验数据可以免去大量的重复性计算，节约时间。本文以密立根油滴实验为例，对比统计软件和编程语言在数据处理中的适用性和优缺点。

关键词： 密立根油滴实验 数据处理 C语言 excel 大学物理实验

由美国物理学家密立根设计并完成的密立根油滴实验是近代物理实验中一个具有代表性的实验，在物理学史上占有十分重要的地位，堪称经典。但由于本实验需要对大量油滴进行测量、分析、得出结论，对于数据的分析运算过程比较繁琐，耗费大量精力。如果实验中辅以计算机处理数据，就会收到事半功倍的效果。以下以静态（平衡）法测量为例，讨论几种不同处理数据方法的适用性和优缺点。

一、密立根油滴实验原理

在静态（平衡）测量法实验中，最后推得的油滴上所带电荷总量为

q=■[■]■■（1）

上式推得过程可以参考大学物理实验教材。

可将对应各常量值代入式中，

q=■·■（2）

对于实验技术不熟练的学生来说，通常可以用“倒过来验证”的方法处理数据，即用公认的电子电荷数e■=1.6021892×10■C去除实验测得的电量q，得到一个接近于某个整数的数值，这个整数就是油滴所带的基本电荷数目n，再用n去除实验测得的电量，即得电子的电荷值e。这种方法在油滴带电量比较少（少数几个电荷）时可以采用。即

n=■=■（取接近的整数）（3）

e=■（4）

其中为基本电荷电量的实验值。

二、利用计算机工具处理数据

1.使用C语言处理数据

构思算法，在VC6.0中编写程序，调试，运行。

C语言源代码：

#include

#include

int i，j，k；

float sum_1，sum_2，average，std_dev，relative_error；

#define k i*3+j

struct

{

int u，n；

float t，q，e；

}a[9]；

void main（）

{

for（i=0；i<3；i++）

for（j=0；j<3；j++）

{

printf（"请输入第%d个油滴第%d组数据（电压 时间）："，i+1，j+1）；

scanf（"%d %f"，&a[k].u，&a[k].t）；

}

printf（"＼n＼n油滴 次数 U/V t/s q/（e-19C） n/个 e/（e-19C）"）；

for（i=0；i<3；i++）

for（j=0；j<3；j++）

{

a[k].q=143000/（a[k].u*a[k].t*pow（1+0.02*sqrt（a[k].t），1.5））；

a[k].n=（int）（a[k].q/1.6021892+0.5）；

a[k].e=a[k].q/a[k].n；

printf（"＼n%-6d%-6d%-6d%-6.1f%-12.7f%- 6d%-6.7f"，i+1，j+1，

a[k].u，a[k].t，a[k].q，a[k].n，a[k].e）；

sum_1+=a[k].e；

}

average=sum_1/9；

for（i=0；i<9；i++）

sum_2+=pow（a[i].e-average，2）；

std_dev=sqrt（sum_2/72）；

relative_error=std_dev/average；

printf（"＼n平均值=%f＼n标准偏差=%f＼n相对误差=%f＼n"，average，std_dev，

relative_error）；

printf（"电子的实验值为：（%f±%f）C＼n"，average，std_dev）；

}

运行及处理结果如下图所示。

图 C语言处理数据运行结果

2.使用excel处理数据

在excel表格中输入相关变量名称和函数，

q列公式：=143000/（C3*（D3*（1+0.02*D3^0.5））^1.5）

n列公式：=ROUND（E3/1.6021892，0）

e列公式：=E3/F3

平均值公式：=AVERAGE（G3：G11）

标准偏差公式：=（SUM（H3：H11）/72）^0.5

相对误差公式：=B13/B12

U、t两列输入实验得到的数据，结果自动产生，见表1：

表1 密立根油滴实验测量数据记录表

三、几种数据处理方法的对比分析

在可操作性、快捷程度、可处理问题的复杂程度、处理结果的简洁性等方面对比普通手工计算、编程语言类、统计软件类处理数据方法的适用性和优缺点，如表2所示。

表2 几种处理数据方法对比分析表

四、结语

利用计算机工具处理实验数据，具有方便、快捷、迅速、准确等特点。根据不同实验的不同需要合理选择工具，可以最大限度地发挥计算机的作用，节省处理数据的时间，提高实验效率，提高了学生的物理实验兴趣，同时使学生学到的计算机知识得以应用，收到良好的实验效果，是综合设计物理实验的有效途径。

参考文献：

[1]穆松梅，张家生，赵书华.实验物理学.沈阳：东北大学出版社，2009：164-167.

[2]谭浩强.C程序设计（第三版）.北京：清华大学出版社，2005：281-294.

[3]王艳红.Excel2010中文版入门与实例教程.北京：电子工业出版社，2011：69-145.