魏凤成
Mathstudio在大学物理实验数据处理中的运用
魏凤成
(内蒙古民族大学物理与电子信息学院,内蒙古通辽 028043)
Mathstudio是一款可以安装到移动平台上,功能强大的科学计算和符号运算软件。因其良好的便携性、可操作性和超强的时代感,比以往只能在PC端才可以运行的大型数学软件更加贴近学生。本文着重介绍了Mathstudio在大学物理实验数据处理中的运用,以期对大学物理实验教学质量的提高有所帮助。
大学物理实验;数据处理;Mathstudio
大学物理实验课是培养理工科低年级大学生实验技能的必修课,它不仅可以加深学生对物理规律的理解,而且对学生基本科学能力的培养有非常重要的作用,并为后续课程学习打下良好的基础[1-2]。由于实验数据处理可以判断实验结果的正确与否以及实验结果的精确程度;可以定量分析变量之间的关系,进一步解释实验现象,得出规律;还可以培养学生严谨的科学态度和良好的科学素养[3]。因此,实验数据处理与分析是培养学生分析能力的重要一环。
实验数据处理通常采用计算器处理和手工坐标纸绘图,是一项极其繁杂的工作,耗时长,而且中间过程若出现计算上的操作失误则不易查找。随着计算、绘图软件的发展,越来越多的师生利用计算机软件,例如Excel[4-5]、Origin[6-8]、Maple[9]、Matlab[10]等来处理实验数据,物理实验的精度和效率都得到了显著提高。
近年来,随着智能手机的高速发展,智能手机正变得越来越流行,几乎每位大学生都有一台智能手机。Mathstudio是一款可以安装到移动平台,包括智能手机、平板电脑等设备上,功能强大的科学计算和符号运算软件,具有Maple和Matlab等符号运算和科学计算软件的基本功能,而且软件的大小只有1.01M[11]。Mathstudio以其良好的便携性、可操作性和超强的时代感,比以往只有在PC端才可以运行的大型数学软件更加贴近学生。学生们用Mathstudio处理实验数据的热情空前高涨,提高了对大学物理实验的学习热情,同时也使学生的实验数据处理能力得到全方位的提高。本文着重就Mathstudio在大学物理实验数据处理中的运用做一个简单的介绍,希望对大学物理实验教学质量的提高有所帮助。
表1 单摆周期T和摆长L的关系
如图1所示,在Mathstudio命令行第1、3行,分别输入摆长和周期的实验数据;第2行的目的是将摆长的单位由“cm”换算成“m”;第4行是计算周期的平方;第5行是用线性回归法对数据点进行拟合处理。由图1可以看出,用Mathstudio所得结果与文献[7]用Origin软件给出的结果一致。
利用文献[8]中实验数据,如表2所示。由牛顿环测透镜曲率半径的实验原理得,其中为待测透镜的曲率半径,d为第级暗环的直径,λ为入射单色光的波长。在实际操作中,常采用逐差法避免条纹级数和牛顿环中心难于确定的困难,该处条纹级数差取为10级,最终可得待测透镜的曲率半径。
表2 牛顿环测透镜曲率半径实验数据
如图2所示,在Mathstudio命令行第1、7行分别输入待测暗环的级数;第2、3行和8、9行分别输入待测暗环直径左边和右边的实验数据;第4、10行是用于求待测暗环的直径;第5、11行求待测暗环直径的平方;第12行输入实验中所用光波的波长,单位已转换为mm;第13行,根据实验原理,求待测透镜的曲率半径,此时其单位为mm;最后一条命令,是求解曲率半径的平均值,单位已转换为m。由图2可以看出,用Mathstudio所得结果与文献[8]给出的结果几乎完全一致,而且具有更高的精度。
另外,由于待测透镜曲率半径和实验用入射光波长λ不变,从公式易知,和满足线性关系,二者的关系图像也为一条直线,根据这条直线的斜率最终可得曲率半径为。
如图3所示,在Mathstudio命令行第1行输入待测暗环的级数;在第2、3行输入待测暗环直径左边和右边的实验数据;第4行是用于求待测暗环的直径;在第5行,求待测暗环直径的平方;第6行是用线性回归法对数据点进行拟合处理;在第7行输入计算得到的直线斜率;第8行输入实验中所用光波的波长,单位已转换为mm;在第9行,根据原理,最终求得待测透镜的曲率半径,单位已转换为m。由图3可以看出,无论是用Mathstudio得到的直线斜率还是曲率半径,都与文献[8]中用Origin软件给出的结果几乎一致,表现出其功能强大的一面。
Mathstudio是一款可以安装到移动平台上,功能强大的科学计算和符号运算软件。通过在单摆法测重力加速度和牛顿环测透镜曲率半径实验数据处理中的实例验证,说明Mathstudio具有很强的可操作性。将Mathstudio软件引入大学物理实验课堂教学,可使学生产生浓厚的学习兴趣,增强教学效果,有利于培养学生的创新能力和实践能力。
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Applications of Mathstudio in Data Processing of College Physical Experiments
WEI Feng-cheng
(College of Physics and Electronic Information, Inner Mongolia University for the Nationalities, Tongliao 028043, Inner Mongolia, China)
Mathstudio is a powerful scientific computation and symbolic computation software, which can be installed on the mobile platform. Due to the excellent portability, operability and superior contemporary, Mathstudio is much closer to the students than the large-scale mathematical softwares, which can only be run in the personal computer. This paper emphasizes its use in data processing of college physical experiments, hoping to improve the quality of teaching and learning of college physical experiments.
college physical experiments; data processing; Mathstudio
N33
A
1008-5394(2016)03-0066-03
2015-10-10
魏凤成(1957-),男,内蒙古通辽人,高级实验师,学士,主要从事大学物理实验教学工作。E-mail:weifengcheng2004@163.com。