魏鳳成

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Mathstudio在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的運(yùn)用

魏鳳成

（內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028043）

Mathstudio是一款可以安裝到移動(dòng)平臺(tái)上，功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和符號(hào)運(yùn)算軟件。因其良好的便攜性、可操作性和超強(qiáng)的時(shí)代感，比以往只能在PC端才可以運(yùn)行的大型數(shù)學(xué)軟件更加貼近學(xué)生。本文著重介紹了Mathstudio在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的運(yùn)用，以期對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高有所幫助。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理；Mathstudio

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是培養(yǎng)理工科低年級(jí)大學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的必修課，它不僅可以加深學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解，而且對(duì)學(xué)生基本科學(xué)能力的培養(yǎng)有非常重要的作用，并為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)[1-2]。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理可以判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確與否以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確程度；可以定量分析變量之間的關(guān)系，進(jìn)一步解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出規(guī)律；還可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和良好的科學(xué)素養(yǎng)[3]。因此，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析是培養(yǎng)學(xué)生分析能力的重要一環(huán)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理通常采用計(jì)算器處理和手工坐標(biāo)紙繪圖，是一項(xiàng)極其繁雜的工作，耗時(shí)長(zhǎng)，而且中間過(guò)程若出現(xiàn)計(jì)算上的操作失誤則不易查找。隨著計(jì)算、繪圖軟件的發(fā)展，越來(lái)越多的師生利用計(jì)算機(jī)軟件，例如Excel[4-5]、Origin[6-8]、Maple[9]、Matlab[10]等來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，物理實(shí)驗(yàn)的精度和效率都得到了顯著提高。

近年來(lái)，隨著智能手機(jī)的高速發(fā)展，智能手機(jī)正變得越來(lái)越流行，幾乎每位大學(xué)生都有一臺(tái)智能手機(jī)。Mathstudio是一款可以安裝到移動(dòng)平臺(tái)，包括智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備上，功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和符號(hào)運(yùn)算軟件，具有Maple和Matlab等符號(hào)運(yùn)算和科學(xué)計(jì)算軟件的基本功能，而且軟件的大小只有1.01M[11]。Mathstudio以其良好的便攜性、可操作性和超強(qiáng)的時(shí)代感，比以往只有在PC端才可以運(yùn)行的大型數(shù)學(xué)軟件更加貼近學(xué)生。學(xué)生們用Mathstudio處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的熱情空前高漲，提高了對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力得到全方位的提高。本文著重就Mathstudio在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的運(yùn)用做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，希望對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高有所幫助。

1 Mathstudio在單擺法測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的運(yùn)用

表1 單擺周期T和擺長(zhǎng)L的關(guān)系

如圖1所示，在Mathstudio命令行第1、3行，分別輸入擺長(zhǎng)和周期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；第2行的目的是將擺長(zhǎng)的單位由“cm”換算成“m”；第4行是計(jì)算周期的平方；第5行是用線性回歸法對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合處理。由圖1可以看出，用Mathstudio所得結(jié)果與文獻(xiàn)[7]用Origin軟件給出的結(jié)果一致。

2 Mathstudio在牛頓環(huán)測(cè)透鏡曲率半徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的運(yùn)用

利用文獻(xiàn)[8]中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。由牛頓環(huán)測(cè)透鏡曲率半徑的實(shí)驗(yàn)原理得，其中為待測(cè)透鏡的曲率半徑，d為第級(jí)暗環(huán)的直徑，λ為入射單色光的波長(zhǎng)。在實(shí)際操作中，常采用逐差法避免條紋級(jí)數(shù)和牛頓環(huán)中心難于確定的困難，該處條紋級(jí)數(shù)差取為10級(jí)，最終可得待測(cè)透鏡的曲率半徑。

表2 牛頓環(huán)測(cè)透鏡曲率半徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

如圖2所示，在Mathstudio命令行第1、7行分別輸入待測(cè)暗環(huán)的級(jí)數(shù)；第2、3行和8、9行分別輸入待測(cè)暗環(huán)直徑左邊和右邊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；第4、10行是用于求待測(cè)暗環(huán)的直徑；第5、11行求待測(cè)暗環(huán)直徑的平方；第12行輸入實(shí)驗(yàn)中所用光波的波長(zhǎng)，單位已轉(zhuǎn)換為mm；第13行，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，求待測(cè)透鏡的曲率半徑，此時(shí)其單位為mm；最后一條命令，是求解曲率半徑的平均值，單位已轉(zhuǎn)換為m。由圖2可以看出，用Mathstudio所得結(jié)果與文獻(xiàn)[8]給出的結(jié)果幾乎完全一致，而且具有更高的精度。

另外，由于待測(cè)透鏡曲率半徑和實(shí)驗(yàn)用入射光波長(zhǎng)λ不變，從公式易知，和滿足線性關(guān)系，二者的關(guān)系圖像也為一條直線，根據(jù)這條直線的斜率最終可得曲率半徑為。

如圖3所示，在Mathstudio命令行第1行輸入待測(cè)暗環(huán)的級(jí)數(shù)；在第2、3行輸入待測(cè)暗環(huán)直徑左邊和右邊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；第4行是用于求待測(cè)暗環(huán)的直徑；在第5行，求待測(cè)暗環(huán)直徑的平方；第6行是用線性回歸法對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合處理；在第7行輸入計(jì)算得到的直線斜率；第8行輸入實(shí)驗(yàn)中所用光波的波長(zhǎng)，單位已轉(zhuǎn)換為mm；在第9行，根據(jù)原理，最終求得待測(cè)透鏡的曲率半徑，單位已轉(zhuǎn)換為m。由圖3可以看出，無(wú)論是用Mathstudio得到的直線斜率還是曲率半徑，都與文獻(xiàn)[8]中用Origin軟件給出的結(jié)果幾乎一致，表現(xiàn)出其功能強(qiáng)大的一面。

3 小結(jié)

Mathstudio是一款可以安裝到移動(dòng)平臺(tái)上，功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和符號(hào)運(yùn)算軟件。通過(guò)在單擺法測(cè)重力加速度和牛頓環(huán)測(cè)透鏡曲率半徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的實(shí)例驗(yàn)證，說(shuō)明Mathstudio具有很強(qiáng)的可操作性。將Mathstudio軟件引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，可使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

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Applications of Mathstudio in Data Processing of College Physical Experiments

WEI Feng-cheng

（College of Physics and Electronic Information, Inner Mongolia University for the Nationalities, Tongliao 028043, Inner Mongolia, China）

Mathstudio is a powerful scientific computation and symbolic computation software, which can be installed on the mobile platform. Due to the excellent portability, operability and superior contemporary, Mathstudio is much closer to the students than the large-scale mathematical softwares, which can only be run in the personal computer. This paper emphasizes its use in data processing of college physical experiments, hoping to improve the quality of teaching and learning of college physical experiments.

college physical experiments; data processing; Mathstudio

N33

A

1008-5394（2016）03-0066-03

2015-10-10

魏鳳成（1957-），男，內(nèi)蒙古通遼人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。E-mail：weifengcheng2004@163.com。