几种软件在物理实验数据处理中的应用比较
第20卷第3期
2007年9月出版大 学 物 理 实 验 PHY SIC A L EXPERI ME NT OF C O LLEGE V ol. 20N o. 3Sep. 2007文章编号:1007-2934(2007) 03-0082-04
几种软件在物理实验数据处理中的应用比较
原安娟 王吉有
(北京工业大学, 北京,100022)
摘 要 本文对几种常用于物理实验数据处理软件的功能和在数据处理中的应用进行
了说明, 并比较了它们之间的不同之处, 总结了各个软件的优缺点和适用对象, 人员选择适用的软件提供了参考意见。
关键词 软件; 数据处理; 物理实验
中图分类号:O4-33 , 提高数。目前在大学物理实验的数据处理中, 如误差分析, 大量采用了计算机工具。
1 Matlab 在数据处理中的应用
Matlab 软件具有强大的数值运算功能、数学计算功能、数据可视化功能、2D/3D 绘图功能, 它们为实验数据处理提供了可靠的保证。利用其自带的函数以及使用者自行编制的程序可完成如曲线拟合、求方差、相关系数等数据计算; 利用2D/3D 绘图功能可对数据结果进行图像化显示; 图像结果处理后利用鼠标拖动可任意变换观察角度以寻找最佳观察角度; 其插值函数interp2可以进行光滑连线。在物理实验中的具体应用如下:111 Matlab 实现最小二乘法处理实验数据的方法
在大学物理实验中, 常用最小二乘法处理实验数据, 通常使用计算器的统计功能来间接计算, 计算量大, 极易出现按键错误, 且不方便核查核对, 耗时费力, 同时也无法找出误差较大甚至错误的数据点。文献[2]中以复摆实验为例, 用Matlab 语言编写程序文件:lxsy-fb1,m 。处理数据时, 只需打开此程序文件, 把原来实验数据修改为新的实验数据, 立刻得到新的实验结果、实验图线和拟合曲线, 作图消晰, 准确性高, 即输即得, 一目了然。112 用Matlab 绘图和图像仿真
基于MAT LAB 语言的静电场绘图及实验数据的处理方法:实验中先在导电玻璃背面上画好等间距的纵横直线, 以相交点为数据测定点, 数据输入计算机, 由事先编好的MAT 2LAB 程序加以处理, 直接得到导电玻璃表面电势的分布图和等势线及电力线。文献[3]利收稿日期:2006-03-12
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用interp2函数、拟合方法采用Cubic (三次) 进行插值拟合。
113 Matlab 曲线拟合
文献[1]用伏安法测二极管的正向伏安特性曲线, 测得其电流随两端所加正向电压的变化情况后, 然后用Matlab 对其进行曲线拟合。拟合的曲线符合二极管的正向特性曲线, 避免了人工拟合数据的随意性, 其结果更科学更客观。
2 Excel 在数据处理中的应用
Excel 软件集数据的编辑、整理、统计分析、图表绘制于一身, 利用它处理物理实验数据可以减少枯燥的数据运算, 防止运算中的错误; 它的图表功能使作图非常容易, 并且可以对实验结果进行分析。物理实验中实验数据的处理、不确定度的计算、绘制表格利实验数据的图示, 这些工作可以利用高版本Excel 中的内置工作表函数得到很方便地解决。211 辅助分析, 实现粗差数据的剔除
在测量的过程中, 由于某些突发的因素和测量者的疏忽, 测量数据中会含有稍许偏大或偏小的数据。根据格罗布斯判据, 对一列等精度测量值X1、X2. …Xn , 的条件格式菜单即可轻而易举地发现存在粗差的数据[5212 完成复杂计算, 实现数据的自动处理
在物理实验中, 测量数据的处理, , 利用EXCE L 强大的函数功能, 。同时利用“刷新”表格中设定的函数公式所, [5]。
213, 改变数据隐含的趋势信息
图解法是利用图线显示数据间的内在信息, 找出物理量之间的关系, 具体操作时将数据点连成曲线固然直观, 但要从复杂的曲线上确定函数的参数却比较困难, 为此常进行坐标变换, 改变数据抽象内涵的趋势信息。利用EXCE L 的图表功能可快捷、准确地改变数据的抽象外观, 将数据隐含的复杂信息趋势转换为简单的线性关系。
文献[5]测量热敏电阻的阻值与温度的关系, 利用Excel 通过图表间显示的温度与阻值的关系, 将曲线变换为直线, 从而简化了数据处理。
214 拟合曲线, 显示数据的内在联系
在实验数据处理中, 用最小二乘法进行线性拟合、参数的确定、数据的回归分析, 大量的过渡性计算复杂繁琐, 用手工操作既费时又易出错, 利用EXCE L 强大数据分析功能, 将回归方程的参数和各参数的标准偏差、拟合直线可一并获得, 化复杂为简单。文献[5]中对单摆实验进行曲线拟合, 并可得出线性参数、标准偏差和相关系数, 使重复繁琐的计算变为简单的操作。
3 Origin 在数据处理中的应用
Origin 是用于数据分析、项目绘图的软件, 其功能强大, 具有快速、灵活、使用简便等优点, 在学术研究领域里有很广的应用范围。它具有数据排序、调整、统计、频谱变换、曲线拟合等各种完善的数学分析功能以及强大的绘图功能, 其最突出的特点就是使出简单、直观、形象和图形化以及面向对象的窗口菜单和工具栏操作等用户环境, 且其典型应用不
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需要用户编写任何一行程序代码; 再者是为了扩展功能和三次开发需要, 其提供了较广泛的定制功能和各种接口, 可利各种数据库软件很方便的连接, 得到其它软件(如Excel ) 无法得到的更加准确的结果和更多附加结果。
311 用Origin 实现实验数据的曲线拟合
文献[6]中所举的例子:测热敏电阻R T 与温度T 的关系实验, 其结果R T =-2. 48E -05e 3. 94. 。如果则excel 处理数据, 只有通过变量代换把非线性变换成线性后才能进行。而用Origin 直接就可进行线性和非线性的处理及分析。用Origin 进行数据分析, 拟合度高并且能够很容易地直接得到数据处理中的其他附加结果。
文献[7]用Origin7. 0绘制了磁性材料的起始磁化曲线和磁滞回钱。
312 用Origin 剔除实验粗差
文献[8]用Origin 软件, 结合声肖维勒准则表, 对“测量直流电源的电动势和内阻的测量”实验结果, 进行了粗等剔除。
313 Origin 寻求经验公式
文献[9]中, 用Origin 建立液体粘滞系数与温度的数学模型, 滞系数与温度的曲线, 4 P owerpoint 在数据处理中的应用
P owerP , 可提供内容丰富的自选图+03/T P owerP oint 具有田字型虚线网格线, 即绘图用的坐, , 在使用时只需花费很少的时间即可取得最好效果的绘5 各种软件的优劣分析
511 Matlab 软件在实验中应用最为广泛, 它的功能全面, 数据处理精确, 绘制的图形可从不同角度观看, 曲线拟合不受限制。但部分功能的使用需要编程, 这就制约了一部分计算机基础差的学生的使用。
512 Excel 软件功能强大, 易学易用, 无需编程。对大学一年级的学生来说, 稍加介绍即能掌握。但它对图线的拟合, 仅限于直线, 对曲线的拟合, 误差较大。
513 Origin 软件的功能也较为强大, 可以拟合曲线, 剔除粗差, 寻求经验公式, 较少用于图像的仿真和图像的再现, 且对计算机的要求相对较高, 学生不易掌握。
514 P owerpoint 用于实验数据处理时, 功能比较单一, 只能用于坐标计图, 所以较少使用。6 结论
611 使用计算机软件处理数据, 可以达到以下目的:
(1) 利用软件处理数据, 可提高物理实验的现代化水平, 培养低年级学生的综合各学科知识的能力, 全面培养学生素质。
(2) 利用软件处理数据, 可在实验室快速地、定量而非定性地检验出实验数据的优劣程度。(3) 用软件处理的数据具有时效性, 和理论结果可直接比较, 加深学生对理论课的理解和掌握, 既提高了学生的动手能力, 又更好地发挥实验课辅助理论教学的作用。—84—
(4) 结果处理及报告的完成可全部由计算机完成, 提高了实验数据处理的精确性, 减少了繁琐的手工处理, 降低了实验误差, 提高了学生对物理实验的兴趣。
612 在软件的选择和使用方面应遵循以下原则:
(1) 学生初涉实验时, 对实验较为陌生, 可选择较易上手的EXCE L 来处理数据; 并用P ow 2erpoint 画图。
(2) 当学生具备一定的实验能力、掌握简单的实验数据处理方法后, 可训练其用Matlab 和Origin 软件处理较为复杂的实验数据。比如, 曲线仿真、误差处理、3D 图像处理等等。
总之, 对计算机软件的使用也要根据学生的基础因材施教, 循序渐进, 不要一味地追求手段而忽略效果。
参考文献
[1] 许碧荣1利用M AT LAB 语言对实验数据进行处理1福建电脑,2006
[2] 罗兴城、罗 颖1Matlab 软件在物理实验数据处理中的应用, 赣南师范学院学报,2004
[3] 葛一兵、于纪俊、卜敏1基于Matlab 1[4] 陈小莉、钟生海1M AT LAB 在光学实验中的应用1[5] 陈莹梅、黄细光1EXCE L 1[6] 金哲、金林虎1Origin6. 1,2002
[7] 滕坚11,V ol. 16
1物理教师,V ol. 23
1寻求经验公式1延边大学学报,V ol. 31
THE COMPARE D SOFTWARE FOR THE DATA -PR OCESS
OF PH YSICS EXPERIMENT
Y uan Anjuan Wang Jiy ou
(Beijin University of T echnology ,Beijing ,100022)
Abstract :In this paper ,we explained the application and tunction of several s oftware using for the data processing of Physics Experiment. We als o com pared the difference between them and summarized the advantages and disadvantages of various s oftware. This paper can provided the advis ory opinion for the related pers onal ,which need process Physics Experiment date.
K ey w ords :software ;data processing ;physics experiment
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