浅谈计算机技术对物理实验数据处理的重要作用

石浩辰　祁金刚　韩飞　髙允锋

摘 要：当前，物理理论课堂教学随着教学体制改革正不断地革新，而实验教学板块受到的重视程度却不够。尤其是基础物理实验，许多此类课程仍延续着以前的教学模式，实验内容少，类型单一，数据处理方式落后。将现有计算机技术应用于实验教学具有深远的积极作用。本文以物体的惯性质量测定实验为例，利用新兴的计算机软件和技术，对实验数据进行分析拟合。把实验数据处理成直观可视的图形、曲线，以便于学生分析数据的变化趋势及规律。这种实验数据处理方式在一定程度上能促進学生的实验综合能力的提高。

关键词：物理实验；线性拟合；最小二乘法；惯性质量

物理实验是培养学生基本实验操作技能、创新性思维和综合实践能力的重要教学环节，也是提升学生探究问题、分析数据和解决难题能力的重要手段。而复杂繁琐的近代物理实验和专业性极强的高等实验需要扎实的实验数据分析能力。所以，教师在前期基础物理实验教学环节，一定要重视对实验数据处理、分析能力的指导。以实验作图为例，目前大部分实验作图都是通过在坐标纸上手动绘制来实现的。由于数据的复杂多变，曲线拟合方式众多，使得实验图像结果准确性大幅度降低，在增加了繁琐操作的同时，也降低了学生对实验本身内涵的探究热情。本文以物体的惯性质量测定实验为例，针对Excel和Origin软件处理数据的方法进行详细阐述和分析，为此类教学方法的革新提供一些参考意见。

1 实验原理及方法

由牛顿第二定律得来的质量称为惯性质量，它不同于引力质量，是物理的惯性度量。本实验用惯性秤称衡的物体质量就是物体的惯性质量。

由相关系数r的定义可知，|r|越趋近于1，散点图所拟合的图线线性相关程度越高。本实验相关系数r 的绝对值约为0.9997，非常趋近于1，说明其线性相关程度极好。在求出拟合曲线表达式以后，即可通过测量其他物体的振动周期从而推算得出其惯性质量。

3 分析及结论

物理实验理论性强、以及不可避免的实验仪器老化、不稳定的机械缺陷，使得学生在实验中总是得出较大误差的实验数据，在一定程度上影响了学生对实验结果，结论的判断，同时也削弱了学生主动学习的积极性。由于数据处理方式陈旧而导致的此类现象更加明显，利用坐标纸手动绘制图线与真实结论差异较大，极大程度上影响了学生对实验结果的讨论和分析。利用计算机绘制、拟合实验数据所得图线能够明显提升整个实验教学效果，而且操作快捷简单。具体方法概括即为：录入数据→插入散点图→拟合趋势线→分析求出参数。

以上述实验为例，利用Excel和Origin拟合线性图线的具体操作方式分别如图2、图3所示，拟合的同时，可直接利用软件求出曲线的线性表达式及相关系数。拟合数据后，可利用软件中数据分析操作中的“模拟分析”里的“单变量求解”对数据进行分析。利用已知因变量推导得出其对应的自变量数值。如上述实验中，已知物体在惯性秤上的振动周期，即可推算得出其惯性质量。

4 结语

在散点图拟合曲线并求得其解析式时，利用最小二乘法拟合的直线解析式比手动绘制图线求解得出的函数关系式精准得多。同时，合理地使用现代的计算机技术会简化其中繁琐的计算过程，提高学生的学习热情。以实现对学生动手能力、分析探究问题能力以及创新思维更高效的指导教学。结合现有的实验仪器和设备，对这些计算机方面的知识进行预教学讲解，这种教学方法能促使学生自主探究，真正意义上的自主解决问题。实验课程是人才培养教学工作必不可少的重要部分，教师应注重加强实践教学，从而更有效地实现理论知识向实践成果的转化。

参考文献：

[1]李玉丽.创新型人才培养视角下的实验教学改革[J].课程教育研究，2017（45）：250.

[2]张凤琴，林晓珑，王逍.创新人才培养下的大学物理实验教学改革研究[J].大学物理，2017，36（03）：36-39.

[3]何永凡，周红，周晓兵，彭长宇.利用大学物理实验平台培养学生实践创新能力[J].实验技术与管理，2016，33（06）：180-183.