導(dǎo)語(yǔ)：軟件作圖在物理實(shí)驗(yàn)的必要性一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要:作圖法廣泛用于各種數(shù)據(jù)的處理，使用Excel、O-rigin和Matlab等科研軟件作圖對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析非常實(shí)用。無(wú)論是從專(zhuān)業(yè)知識(shí)的深入學(xué)習(xí)，比如追求結(jié)果的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性、精確性和數(shù)據(jù)背后深層次的物理意義，還是從個(gè)人實(shí)踐技能及綜合素養(yǎng)的提升等角度來(lái)看，用軟件作圖處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都完全有必要。

關(guān)鍵詞:Excel；Origin；Matlab；科研軟件；物理意義

1引言

學(xué)生在中學(xué)就接觸了物理實(shí)驗(yàn)，那時(shí)更多地只關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。上了大學(xué)，“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課能從物理原理出發(fā)，重現(xiàn)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析來(lái)研究其物理本質(zhì)和深層次的科學(xué)意義。如今的技術(shù)條件很容易完成許多物理實(shí)驗(yàn)[1]。然而，前輩物理學(xué)家們當(dāng)年在從事一些經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，都是反復(fù)做了很多次，得到了大量數(shù)據(jù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)科而言，有了數(shù)據(jù)，就得趕緊處理、分析數(shù)據(jù)。很多實(shí)驗(yàn)都是用來(lái)驗(yàn)證某些物理規(guī)律、定理、定律等。而這個(gè)過(guò)程對(duì)應(yīng)于數(shù)學(xué)上的某種函數(shù)關(guān)系，要描述這種關(guān)系，最直接、最有效的方法就是作圖。早期因?yàn)闂l件所限，科學(xué)家處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)都是手工作圖，這種作圖效率低下、結(jié)果不精確、數(shù)據(jù)資料不易保存。后來(lái)發(fā)明了坐標(biāo)紙，就習(xí)慣用坐標(biāo)紙來(lái)作圖，這是一項(xiàng)基本功的訓(xùn)練，雖然能處理一些圖像，但是枯燥乏味，而且對(duì)于數(shù)據(jù)點(diǎn)非常多或者非線性關(guān)系的作圖就無(wú)能為力。如今科學(xué)飛速發(fā)展，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可以使用各種科研軟件來(lái)作圖。軟件作圖有很多好處，它方便、快捷、高效，得到的結(jié)果嚴(yán)謹(jǐn)、精確、可靠，分析更為豐富，還可以深入挖掘數(shù)據(jù)背后的物理意義，是真正意義上的科學(xué)作圖。下面將分三點(diǎn)來(lái)論述用軟件作圖處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jìn)了使用軟件作圖來(lái)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。進(jìn)入21世紀(jì)，人們的物質(zhì)生活水平普遍提高，大學(xué)生基本都有電腦，用電腦安裝各種科研軟件來(lái)處理、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是完全可行的。首先，在第一學(xué)期都會(huì)學(xué)習(xí)一門(mén)類(lèi)似“計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)”的課，該課程是對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行電腦知識(shí)的入門(mén)普及。其中，在Office章節(jié)就會(huì)學(xué)到如何使用Excel來(lái)處理、分析數(shù)據(jù)。平時(shí)在很多地方看到的精美圖像就有不少是通過(guò)Excel作圖得到的。用Excel來(lái)分析數(shù)據(jù)，比如畫(huà)折線圖、誤差曲線、直方圖、圓餅/柱狀圖等都是非常快捷有效的。其次，很多理工科院校都會(huì)開(kāi)設(shè)諸如C語(yǔ)言/C++、Java和Matlab等計(jì)算機(jī)編程、設(shè)計(jì)方面的課程。學(xué)校開(kāi)設(shè)這些課程，肯定是希望學(xué)生能夠?qū)W以致用，其實(shí)Matlab就可以用來(lái)處理大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)。因?yàn)橛肕atlab來(lái)畫(huà)圖、分析數(shù)據(jù)能直接得到精確的數(shù)值解，并能擬合出絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)系對(duì)應(yīng)的物理方程，這就有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)物理本質(zhì)的了解。這種方式還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正解決關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，收到良好效果。最后，興趣使然，不少同學(xué)在大學(xué)期間就跟著導(dǎo)師做科研項(xiàng)目，他們經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練就會(huì)精通用Origin等專(zhuān)業(yè)科研軟件來(lái)畫(huà)圖、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這當(dāng)然也可應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理中。其實(shí)在以上三個(gè)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(qiáng)大、易學(xué)易掌握，是科研工作者們畫(huà)圖時(shí)的首選。諸多實(shí)踐表明[2-3]，用Origin來(lái)畫(huà)圖、分析物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是非常實(shí)用的。此外，在許多教改、科研類(lèi)的學(xué)術(shù)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(lái)的，它功能強(qiáng)大。顯然，相對(duì)于古老的手工制圖和傳統(tǒng)的坐標(biāo)紙作圖，用科研軟件來(lái)作圖并分析物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，如快捷、高效、嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、可重復(fù)、易保存。2.2專(zhuān)業(yè)物理知識(shí)的深入學(xué)習(xí)要求使用。科研軟件來(lái)科學(xué)、規(guī)范地作圖“物理實(shí)驗(yàn)”是一門(mén)實(shí)踐性課程，它要求學(xué)生能用所學(xué)物理知識(shí)來(lái)解答一些物理實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。但是在實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，有一個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題，就是很多同學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告不能保質(zhì)保量完成，尤其是在“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理”這一環(huán)節(jié)做得不到位，主要表現(xiàn)在制表不規(guī)范、畫(huà)圖不嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)節(jié)不注意、結(jié)果分析不深入、誤差不討論等多方面。需知實(shí)驗(yàn)報(bào)告是用書(shū)面形式總結(jié)自己的實(shí)驗(yàn)工作，并把它拿來(lái)跟同行交流，是很重要的學(xué)術(shù)資料。而這些都要求大家對(duì)物理專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行更深入的研究。許多物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)關(guān)系非常復(fù)雜，如何從物理的角度去思考，并能擬合出數(shù)學(xué)上的函數(shù)關(guān)系，尤其是非線性的函數(shù)圖像，并把每一個(gè)參數(shù)賦予物理意義，這是重點(diǎn)。這些工作通過(guò)Excel、Origin和Mat-lab等軟件的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析功能就可以完成。在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，通常會(huì)遇到非線性的函數(shù)圖像，弄清楚其中的一些關(guān)鍵參量所代表的物理意義是非常重要的。用傳統(tǒng)的坐標(biāo)紙去繪制非線性的圖像，尤其是對(duì)于那些關(guān)鍵物理量取值、計(jì)算要求精度高的實(shí)驗(yàn)就不合適。這時(shí)，用科研軟件繪圖的重要性就體現(xiàn)出來(lái)。比如，最常用的O-rigin軟件就能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性曲線擬合，有多項(xiàng)式擬合、指數(shù)增長(zhǎng)/衰減擬合、S形函數(shù)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(diǎn)、奇點(diǎn)、邊界點(diǎn)、拐點(diǎn)、跳躍點(diǎn)等往往隱含了非常重要的物理信息，從中可以理解物理現(xiàn)象與規(guī)律，揭示深層次的物理本質(zhì)。很明顯，軟件作圖手段上的創(chuàng)新使學(xué)生提高了學(xué)習(xí)效率，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，對(duì)物理知識(shí)的掌握更加深入和全面。2.3技能和綜合素養(yǎng)的提升是軟件作圖處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來(lái)的良好結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析中，需要實(shí)事求是的態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，只有經(jīng)過(guò)規(guī)范性的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，方能為日后的學(xué)習(xí)、生活和工作培養(yǎng)良好的習(xí)慣。“物理實(shí)驗(yàn)”課程旨在全面考查學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中就會(huì)有探究、摸索和驗(yàn)證的環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)軟件規(guī)范作圖的實(shí)踐，它能夠較好地培養(yǎng)學(xué)生求實(shí)的品格、踏實(shí)的學(xué)風(fēng)和縝密的思維。用軟件畫(huà)圖的過(guò)程能讓人靜下心來(lái)，仔細(xì)思考，好好分析數(shù)據(jù)圖像背后的物理規(guī)律，這本身就是一個(gè)思辨的過(guò)程，它能夠培養(yǎng)人的耐心、毅力和邏輯思維能力。實(shí)驗(yàn)講究的是尊重原始數(shù)據(jù)，在畫(huà)圖分析過(guò)程中，如果遇到一些反常的點(diǎn)，會(huì)讓我們深入思考，去找原因，從而做到舉一反三，有時(shí)就可能有意外的收獲。通過(guò)數(shù)據(jù)、通過(guò)圖像去找規(guī)律，能夠鍛煉人的逆向思維能力。此外，不少同學(xué)有本科畢業(yè)后繼續(xù)讀研、讀博或出國(guó)深造的強(qiáng)烈意愿，那么現(xiàn)階段就開(kāi)始用科研軟件來(lái)正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣一種訓(xùn)練能為以后的科學(xué)研究工作打下很好的基礎(chǔ)，有助于提升其綜合素養(yǎng)。

3結(jié)論

總而言之，使學(xué)生有效使用各種科研軟件來(lái)正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)出規(guī)范的圖表并會(huì)對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的分析，掌握數(shù)據(jù)結(jié)果所反映的物理意義，對(duì)于加深對(duì)“物理實(shí)驗(yàn)”課程的理解至關(guān)重要。使用Excel、Origin、Matlab等科研軟件來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)出的圖無(wú)疑更為完美，結(jié)果更可靠、更嚴(yán)謹(jǐn)，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(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]李興鰲,李三龍.物理實(shí)驗(yàn)教程[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2017.

[2]曾明榮.Origin在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究,2007(2):12-14.

[3]王曉雄,陳愷,李相銀.利用色散關(guān)系擬合氫原子光譜定標(biāo)曲線[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2008,21(4):24.

作者:何學(xué)敏 李斌 陳偉 李永濤 單位:南京郵電大學(xué)理學(xué)院