在處理大學物理實驗數(shù)據(jù)的應用

1、MATLAB在處理大學物理實驗數(shù)據(jù)的應用學 院 物信學院 姓 名 張 鋒 專 業(yè) 物理學 學 號 281040109 班 級 08級物理1班 MATLAB在處理大學物理實驗數(shù)據(jù)的應用張鋒（281040109）（物理與信息科學學院 物理學專業(yè)08級物理1班）摘 要基于計算機語言的實驗數(shù)據(jù)處理是工程和科研中所必備的科學素質,應該成為大學理工科學生的一個重要培養(yǎng)目標; 將大學物理實驗數(shù)據(jù)的處理與MATLAB 語言結合,既能更高效地完成學習任務, 又能為將來的工作和研究提高必備的科學素質。如何融合MATLAB 與大學物理實驗的數(shù)據(jù)處理是教學研究的重要內容。本文提出了在立足大學物理實驗課程教學的同時,將

2、MATLAB 軟件融入到大學物理實驗的數(shù)據(jù)處理中。關鍵詞 大學物理實驗; MATLAB 語言; 科學素質 引言 隨著計算機和計算方法的飛速發(fā)展,科學計算已經(jīng)與科學理論和科學實驗鼎立為現(xiàn)代科學的三大組成部分, 其中科學計算能力 是指利用現(xiàn)代計算方法和工具( 包括硬件和軟件)解決工程和科研中計算問題的能力, 它包括掌握最新的科學計算軟件、建立適當?shù)挠嬎隳Ｐ?、采用有效的計算方法、實現(xiàn)高效的編程和運算、對計算結果作正確的表述和解釋等到多方面的綜合能力。 大學物理實驗是高校中的一門基礎課,它包括物理科學理論、物理實驗、數(shù)據(jù)處理等內容,具有理論和實踐相結合的特點,非常利于培養(yǎng)人才,但若能更進一步,即革新老

3、一套的數(shù)據(jù)處理方法,將數(shù)據(jù)處理同科學計算語言相結合,借助計算機進行實驗數(shù)據(jù)處理可以提高解決實際問題的能力,既能出色地完成大學物理實驗的教學任務,也為廣大理工科學生將來的工作或科研進行了先前教育。 1 大學物理實驗的數(shù)據(jù)處理與MATLAB 語言結合 大學物理實驗課在高校人才培養(yǎng)目標中的具體任務主要包括: ( 1) 物理實驗的基本理論和知識的學習; ( 2) 實驗技能的提高和動手能力的培養(yǎng); ( 3) 實驗數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)和提高; ( 4) 實驗結果的綜合分析和表述能力的培養(yǎng); ( 5) 以物理實驗為載體,進行實驗設計能力、實踐探索精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。其中 ( 3) 、( 4) 目標實際上就是

4、科學計算能力的培養(yǎng),對深化學生實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識起著非常重要的作用,是學生今后從事各項科學研究和工程實踐的基石。因此,在大學物理實驗的教學研究和改革的實踐中,我們 加強了對大學物理實驗的數(shù)據(jù)處理改革,即運用了科學計算語言MATLAB 進行實驗數(shù)據(jù)處理,著力培養(yǎng)具有現(xiàn)代科學素質的學生。 2 MATLAB 是一門非常適合實驗數(shù)據(jù)處理的語言 2.1 MATLAB 語言的特點 MATLAB (Matrix Laboratory, 矩陣實驗室) 軟件在現(xiàn)代教育中具有獨特優(yōu)點,是一個非常適合于科學計算和工程應用的數(shù)學軟件,是國際科學界應用范圍最廣泛和影響力最強的三大計算機數(shù)學語言之一;目前已成為國際公

5、認的最優(yōu)秀的科技應用軟件,在國外的高等院校里, MATLAB 語言已經(jīng)成為大學生、碩士生和博士生必須掌握的基本語言,鑒于其重要性,國內也有許多高等院校開展了這方面的教學,并在各專業(yè)課程的教學中應用越來越廣泛。因此探討MATLAB 和專業(yè)課程的結合在教學過程中的實施情況對提高學生的科學計算能力是非常重要的。20 世紀90 年代中期,國外大量課程的教材都已采用數(shù)學軟件來分析,我們也借此來解決當前我國大學生普遍存在的科學計算能力低下的問題。MATLAB 語言是一門簡單易用的程序設計語言, 具有易學性,能讓初學者在花費時間少的基礎上精通一門計算機語言;具有強大的科學計算及數(shù)據(jù)處理能力, 擁有600 多

6、個工程要用的數(shù)學運算函數(shù),可以幫助完成理工科專業(yè)課程中諸多的數(shù)值計算、頻譜分析等操作; 具有出色的圖形圖像處理功能,非常好的數(shù)據(jù)可視化功能,可以快速、準確、形象、直觀地得到可視化的計算機模擬與仿真圖像;還有應用廣泛的模塊集和工具箱,可用于不同領域的科學研究;圖形用戶界面可用于應用程序設計等等。若將其引入大學物理實驗數(shù)據(jù)處理,能夠為理工科專業(yè)的教學帶來一個全新的面貌,是教、學效果得以質的飛躍的理想工具,能夠真正提高學生的科學計算能力。2.2 方便數(shù)據(jù)處理與存取 大學物理實驗其根本出發(fā)點就在于通過對實驗所獲取的數(shù)據(jù)進行處理,求解物理規(guī)律中各相關物理量之間的函數(shù)關系,分析各相關物理量之間的函數(shù)關系,

7、在此過程中能比理論課更勝一籌地理解它們的物理意義, 更有利于掌握知識。在數(shù)據(jù)處理過程中,對于數(shù)據(jù)量少的、簡單的還勉強可以用老一套的手工方式繪制成圖, 但所得效果很不理想;而遇到數(shù)據(jù)量大時,費時費力,對大部分學生來說甚至根本無法完成數(shù)據(jù)處理。MATLAB 軟件不僅提供強大的數(shù)值計算功能,而且還提供強大的數(shù)據(jù)可視化功能,運用MATLAB 軟件可以非常快捷地把實驗數(shù)據(jù)進行有效的處理,并將計算結果繪制成相應的圖形結果,甚至還可以把數(shù)據(jù)變化的過程動態(tài)的模擬出來,過程直觀、方便,又能形象生動地表現(xiàn)物理變化規(guī)律。這樣既能讓學生看到數(shù)據(jù)的結果,也能讓學生看到數(shù)據(jù)的變化過程,即看到物理變化過程,以加深理解和掌握

8、物理規(guī)律,提高學生的學習興趣。 數(shù)據(jù)的存取:在MATLAB 軟件中能夠非常輕易地把實驗中的數(shù)據(jù)表達為矩陣或者是我們想要的數(shù)據(jù)格式, 將數(shù)據(jù)存儲在電腦里,在我們想要進行數(shù)據(jù)處理的時候方便地提出來。將實驗數(shù)據(jù)存于計算機,實驗處理利用計算機,為科學研究、工作以及學習提供了現(xiàn)代工具。 2.3 增強對數(shù)據(jù)處理的科學計算能力,對理工科專業(yè)是一個有益的補充理工科專業(yè)中需要學生具備計算能力,而現(xiàn)代的理工科大學生更要求能夠使用計算機進行計算,這樣引入MATLAB 既是專業(yè)需要,也符合社會需求;對于非計算機專業(yè)的大部分理工科專業(yè)教師和學生,計算機語言學習得不多,編程能力不強,若以其他語言來完成數(shù)據(jù)處理過程,顯得有

9、些困難,而且其他計算機語言大都只能完成計算,無法把計算結果直接繪圖。而Matlab 集計算和作圖于一體,直接完成二合一功能,并且其語言接近一般數(shù)學表達形式,所以更加適合于非計算機專業(yè)的教師和學生學習掌握。 3 MATLAB 在大學物理實驗中的體現(xiàn) 3.1 多數(shù)據(jù)同時計算的數(shù)據(jù)矩陣表達方式 在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中,實驗結果的計算經(jīng)常是用同一公式反復進行計算,實驗中的一組或多組測量數(shù)據(jù)在MATLAB 中可作為矩陣進行運算,利用矩陣運算可以同時對一組或多組實驗數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除、乘方等基本處理。因此,使用MATLAB 編程,利用計算機進行快迅計算,不用花大量的時間于重復、繁瑣的手工計算中,即學

10、生可以節(jié)省出大量的時間用于其他方面的研究和學習。 3.2 實驗中使用頻度最高的幾個函數(shù) MATLAB 提供了一系列實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計函數(shù),通過運用這些函數(shù),可以完成實驗數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計分析,求多次測量的平均值的mean 函數(shù)、求測量數(shù)據(jù)中的最小、最大的min 與max 函數(shù),求實驗中的一組或多組數(shù)據(jù)和的sum 函數(shù)、求一組或多組實驗數(shù)據(jù)的標準差std 函數(shù)等。 3.3 實驗結果的圖形顯示 圖形是分析問題、說明問題、顯示結果的最好方式,繪圖求解實驗中的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理中常用方法, MATLAB 中有非常方便的制圖函數(shù),如: plot ( 基本繪圖函數(shù)) 、subplot ( 繪制子圖函數(shù)) 、mesh (

11、 繪制網(wǎng)格圖) 等。傳統(tǒng)的手工繪圖費時、費力,描點、畫圓滑曲線時精度不高,坐標紙大小的選取、繪圖比例是否合適都會對處理的結果產生影響。而使用MATLAB 中的plot 等函數(shù),可快速準確地標出實驗數(shù)據(jù)點并描出擬合曲線。 3.4 擬合與插值 擬合與插值在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中有很高的實用價值,在科學實驗的統(tǒng)計研究中,經(jīng)常要從一組數(shù)據(jù)中尋找自變量和因變量之間的關系時,但測量數(shù)據(jù)中存在誤差,此時可以利用ployfit 函數(shù)實現(xiàn)最小二乘法擬合, 同時還可以用interp1 函數(shù)通過插值求擬合曲線中的某點值。 4 用MATLAB 語言提高實驗數(shù)據(jù)處理能力的一個例子 在單縫衍射實驗中,用移測顯微鏡上每間隔

12、測得的衍射光的光電流共55 個值,為做出光強分布圖定義 電流i 矩陣: i= 0 0102 0111 0117 0130 0135 0129 0114 0110 0100 0106 0128 0162 0181 0193 0168 0123 0120 0100 0178 2192 6135 9132 13170 15164 19170 20141 20160 20120 19182 14180 12161 8182 5135 2122 0154 0100 0114 0129 0172 0192 0183 0155 0122 0111 0100 0109 0120 0130 0135 0129

13、0118 0110 0102 0100 , 利用MATLAB 中的plot 函數(shù)很容易作光強分布圖, 如圖1所示, 所做圖效果并不是很好, 說明數(shù)據(jù)測量存在誤差, 為消除誤差, 可以進行三點線性滑動平均, 即依次取每三個相鄰數(shù)的平均值作為新的數(shù)據(jù), 如: i1( 2) = ( i( 1) + i( 2) + i( 3) ) / 3, i1( 3) = ( i( 2) + i( 3) + i ( 4) ) / 3 , , 按此方法得圖2, 可以提升學生的數(shù)據(jù)處理能力。 圖1 單縫衍射實驗的測量數(shù)據(jù) 圖2 單縫衍射實驗數(shù)據(jù)平滑處理參 考 文 獻 1 陳懷琛.大學理工科要把科學計算能力當作一個重要培養(yǎng)目標 J中國大學教學,