軟件作圖在物理實驗的必要性

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摘要:作圖法廣泛用于各種數據的處理，使用Excel、O-rigin和Matlab等科研軟件作圖對于物理實驗數據的分析非常實用。無論是從專業知識的深入學習，比如追求結果的科學性、嚴謹性、精確性和數據背后深層次的物理意義，還是從個人實踐技能及綜合素養的提升等角度來看，用軟件作圖處理物理實驗數據都完全有必要。

關鍵詞:Excel；Origin；Matlab；科研軟件；物理意義

1引言

學生在中學就接觸了物理實驗，那時更多地只關注實驗現象。上了大學，“大學物理實驗”課能從物理原理出發，重現每一個實驗，并通過實驗數據的分析來研究其物理本質和深層次的科學意義。如今的技術條件很容易完成許多物理實驗[1]。然而，前輩物理學家們當年在從事一些經典的物理實驗時，都是反復做了很多次，得到了大量數據。對實驗學科而言，有了數據，就得趕緊處理、分析數據。很多實驗都是用來驗證某些物理規律、定理、定律等。而這個過程對應于數學上的某種函數關系，要描述這種關系，最直接、最有效的方法就是作圖。早期因為條件所限，科學家處理物理實驗數據時都是手工作圖，這種作圖效率低下、結果不精確、數據資料不易保存。后來發明了坐標紙，就習慣用坐標紙來作圖，這是一項基本功的訓練，雖然能處理一些圖像，但是枯燥乏味，而且對于數據點非常多或者非線性關系的作圖就無能為力。如今科學飛速發展，處理實驗數據時可以使用各種科研軟件來作圖。軟件作圖有很多好處，它方便、快捷、高效，得到的結果嚴謹、精確、可靠，分析更為豐富，還可以深入挖掘數據背后的物理意義，是真正意義上的科學作圖。下面將分三點來論述用軟件作圖處理物理實驗數據的必要性。

2必要性分析

2.1客觀硬件、軟件條件的支持促進了使用軟件作圖來分析實驗數據。進入21世紀，人們的物質生活水平普遍提高，大學生基本都有電腦，用電腦安裝各種科研軟件來處理、分析實驗數據是完全可行的。首先，在第一學期都會學習一門類似“計算機文化基礎”的課，該課程是對所有學生進行電腦知識的入門普及。其中，在Office章節就會學到如何使用Excel來處理、分析數據。平時在很多地方看到的精美圖像就有不少是通過Excel作圖得到的。用Excel來分析數據，比如畫折線圖、誤差曲線、直方圖、圓餅/柱狀圖等都是非?？旖萦行У?。其次，很多理工科院校都會開設諸如C語言/C++、Java和Matlab等計算機編程、設計方面的課程。學校開設這些課程，肯定是希望學生能夠學以致用，其實Matlab就可以用來處理大學物理實驗中的數據。因為用Matlab來畫圖、分析數據能直接得到精確的數值解，并能擬合出絕大部分數據關系對應的物理方程，這就有助于學生對實驗物理本質的了解。這種方式還可以激發學生的學習興趣，真正解決關鍵科學問題，收到良好效果。最后，興趣使然，不少同學在大學期間就跟著導師做科研項目，他們經過一段時間的學習和訓練就會精通用Origin等專業科研軟件來畫圖、分析實驗數據，這當然也可應用于大學物理實驗數據的處理中。其實在以上三個軟件中，最受歡迎、最常用、最好用的就是Origin，它界面友好、功能強大、易學易掌握，是科研工作者們畫圖時的首選。諸多實踐表明[2-3]，用Origin來畫圖、分析物理實驗數據是非常實用的。此外，在許多教改、科研類的學術論文中，我們看到的許多線圖，往往都是利用Ori-gin軟件制作出來的，它功能強大。顯然，相對于古老的手工制圖和傳統的坐標紙作圖，用科研軟件來作圖并分析物理實驗數據具有壓倒性的優勢，如快捷、高效、嚴謹、科學、可重復、易保存。2.2專業物理知識的深入學習要求使用?？蒲熊浖砜茖W、規范地作圖“物理實驗”是一門實踐性課程，它要求學生能用所學物理知識來解答一些物理實驗問題。但是在實驗課程的學習過程中，有一個很嚴重的問題，就是很多同學的實驗報告不能保質保量完成，尤其是在“實驗數據的分析與處理”這一環節做得不到位，主要表現在制表不規范、畫圖不嚴謹、細節不注意、結果分析不深入、誤差不討論等多方面。需知實驗報告是用書面形式總結自己的實驗工作，并把它拿來跟同行交流，是很重要的學術資料。而這些都要求大家對物理專業知識進行更深入的研究。許多物理實驗的數據關系非常復雜，如何從物理的角度去思考，并能擬合出數學上的函數關系，尤其是非線性的函數圖像，并把每一個參數賦予物理意義，這是重點。這些工作通過Excel、Origin和Mat-lab等軟件的強大數據分析功能就可以完成。在處理實驗數據時，通常會遇到非線性的函數圖像，弄清楚其中的一些關鍵參量所代表的物理意義是非常重要的。用傳統的坐標紙去繪制非線性的圖像，尤其是對于那些關鍵物理量取值、計算要求精度高的實驗就不合適。這時，用科研軟件繪圖的重要性就體現出來。比如，最常用的O-rigin軟件就能夠對實驗數據進行非線性曲線擬合，有多項式擬合、指數增長/衰減擬合、S形函數擬合、高斯擬合、洛倫茲擬合和多峰擬合等。這些曲線中的極值點、奇點、邊界點、拐點、跳躍點等往往隱含了非常重要的物理信息，從中可以理解物理現象與規律，揭示深層次的物理本質。很明顯，軟件作圖手段上的創新使學生提高了學習效率，激發了學習興趣，對物理知識的掌握更加深入和全面。2.3技能和綜合素養的提升是軟件作圖處理實驗數據帶來的良好結果。在實驗數據的處理與分析中，需要實事求是的態度和嚴謹的科學作風，只有經過規范性的學習與實踐，方能為日后的學習、生活和工作培養良好的習慣?！拔锢韺嶒灐闭n程旨在全面考查學生理論聯系實際、發現問題、解決問題的能力。在實驗過程中就會有探究、摸索和驗證的環節，經過軟件規范作圖的實踐，它能夠較好地培養學生求實的品格、踏實的學風和縝密的思維。用軟件畫圖的過程能讓人靜下心來，仔細思考，好好分析數據圖像背后的物理規律，這本身就是一個思辨的過程，它能夠培養人的耐心、毅力和邏輯思維能力。實驗講究的是尊重原始數據，在畫圖分析過程中，如果遇到一些反常的點，會讓我們深入思考，去找原因，從而做到舉一反三，有時就可能有意外的收獲。通過數據、通過圖像去找規律，能夠鍛煉人的逆向思維能力。此外，不少同學有本科畢業后繼續讀研、讀博或出國深造的強烈意愿，那么現階段就開始用科研軟件來正確處理實驗數據，這樣一種訓練能為以后的科學研究工作打下很好的基礎，有助于提升其綜合素養。

3結論

總而言之，使學生有效使用各種科研軟件來正確處理實驗數據，畫出規范的圖表并會對其進行科學合理的分析，掌握數據結果所反映的物理意義，對于加深對“物理實驗”課程的理解至關重要。使用Excel、Origin、Matlab等科研軟件來處理實驗數據，畫出的圖無疑更為完美，結果更可靠、更嚴謹，精確度更高，背后的物理圖像、物理模型更為清晰，非常值得推廣應用。

參考文獻

[1]李興鰲,李三龍.物理實驗教程[M].上海:上海交通大學出版社,2017.

[2]曾明榮.Origin在物理化學實驗數據處理中的應用[J].高校實驗室工作研究,2007(2):12-14.

[3]王曉雄,陳愷,李相銀.利用色散關系擬合氫原子光譜定標曲線[J].大學物理實驗,2008,21(4):24.

作者:何學敏 李斌 陳偉 李永濤 單位:南京郵電大學理學院