計算機模擬在大學物理實驗的應用論文

　　摘要：大學物理實驗中的數(shù)據(jù)處理和誤差分析的思想應貫穿于實驗教學的始終，并引導學生利用計算機模擬技術處理實驗數(shù)據(jù)。長此以往，學生綜合運用知識的能力、解決問題的能力和綜合素質(zhì)必將得到提高。

　　關鍵詞：計算機模擬；大學物理實驗；數(shù)據(jù)處理

　　隨著信息技術的發(fā)展和教育教學現(xiàn)代化的需要，計算機已經(jīng)逐漸走進學校，走進課堂。尤其是基于互聯(lián)網(wǎng)的在線教學，實現(xiàn)了線上教學和線下教學的有機結合，使得課堂教學發(fā)生了結構性變革�？梢�，計算機給學校教育教學注入了新的活力，帶來了新的教學理念和教學模式，具有劃時代的意義。物理本質(zhì)上是一門實驗科學，因此大學物理實驗是對物理教育的最原始回歸，是學生進入大學后受到系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端，旨在培養(yǎng)學生的觀察能力、思考能力、動手能力以及解決問題的能力。大學物理實驗具有如下幾個特征：1.可重復性。物理現(xiàn)象具有內(nèi)在的演化規(guī)律，因此在遵循一定規(guī)律的前提下，物理現(xiàn)象可以再現(xiàn)。2.實驗數(shù)據(jù)量大。一般大學物理實驗中，為了減小隨機誤差往往需要進行多次測量，這樣不可避免地會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。3.不確定性。物理實驗結果往往受到多方面因素的影響，例如實驗儀器的精度、實驗方法、外部環(huán)境因素、測量次數(shù)等。因此，在撰寫實驗報告時，往往需要對數(shù)據(jù)進行誤差分析，并找到產(chǎn)生誤差的原因，以期盡可能減小實驗誤差。筆者在多年的物理實驗教學中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理部分屬于薄弱環(huán)節(jié)，許多學生對這一部分的概念和技能掌握達不到實驗教學目標的要求。我校在數(shù)據(jù)處理中依然要求學生采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，利用計算器或手工計算、手工制圖，很少用計算機來處理。而有些實驗數(shù)據(jù)處理的工作量較大，學生要花費大量時間處理實驗數(shù)據(jù)，必然要耗費大量的時間和精力，長此以往學生喪失了學習興趣，對數(shù)據(jù)的處理常常會流于形式，影響到實驗課程的教學質(zhì)量。因此，隨著信息技術的開發(fā)應用，傳統(tǒng)的教學模式已經(jīng)不能適應時代的要求了，物理實驗教學的改革迫在眉睫。我們建議學生在掌握手工制圖之外，更要學會利用計算機處理實驗數(shù)據(jù)。通過這種學習方式，學生在完成實驗報告的同時，還可以在編程能力、數(shù)據(jù)分析能力方面得到鍛煉，在“做中學，學中研，研中創(chuàng)”。

　　一計算機模擬處理實驗數(shù)據(jù)的可行性

　　計算機模擬方法不同于簡單的導入數(shù)據(jù)、自動生成圖像模式，它需要執(zhí)行人選擇某種計算機語言（例如IDL或者Matlab）自主的設計源代碼，最終通過執(zhí)行源代碼將數(shù)據(jù)可視化。通過上述過程，我們可以看出一個完整的計算機模擬制圖需要原始數(shù)據(jù)、編程技術、程序語言編譯環(huán)境、計算機等幾個要素。原始數(shù)據(jù)來源于每堂物理實驗課，編程技術是一個逐漸熟練的過程，學生可以在平時的計算機課程或者自學中得到提高。Matlab已經(jīng)為很多大學生所熟知，大部分工科院校都開設了此課供學生選修，我校就有相應的Matlab課程。計算機是學生接觸頻率最高的現(xiàn)代信息化工具之一，據(jù)統(tǒng)計學生宿舍擁有計算機的比例非常高，此外我校計算機房也可以為學生提供豐富的計算機資源。綜上所述,利用計算模擬方法處理大學物理實驗數(shù)據(jù)是切實可行的一種方式。通過此種學習方式，可以極大地調(diào)動學生的學習積極性，減少浪費在網(wǎng)絡或游戲上的時間，并且潛移默化地增強學生的編程能力、創(chuàng)新思維。

　　二計算機模擬處理大學物理實驗數(shù)據(jù)實例

　　光的偏振現(xiàn)象在光學發(fā)展中占有重要地位，在現(xiàn)代科學技術中具有廣泛的應用，通過對光的偏振的了解可以學習偏振光的產(chǎn)生以及檢驗，并且能夠增強對電磁場的了解。光波是一種橫波，由于光和物質(zhì)相互作用過程中，光波中的電矢量起主要作用，所以通常以電矢量作為光波的振動矢量的代表，電矢量的振動方向只沿著一個固定方向的光線稱為線偏振光。在這個實驗中，我們要通過旋轉(zhuǎn)檢偏器來檢測線偏振光的通光特性，也就是馬呂斯定律，即I=I0cos2θ其中I0表示通過檢偏器的初始光強，θ表示入射光偏振化方向與檢偏器偏振化方向的夾角。當以光線傳播方向為軸轉(zhuǎn)動檢偏器的時候，透射光強度I將會發(fā)射周期性變化。當θ=0°時，透射光強度最大，當θ=90°時，透射光強度為極小值，當0°<θ<90°時，透射光強度I介于最大值和最小值之間。因此可以根據(jù)透射光強度變化區(qū)分出是否為線偏振光。在撰寫實驗報告時，需要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出透射光強度I隨夾角θ的變化規(guī)律。表格1給出了實驗中測量的數(shù)據(jù)�；�于測量的數(shù)據(jù)，利用計算機模擬方法我們畫出透射光強度I隨夾角θ變化的物理圖像，這里我們選擇的計算機語言為IDL，如圖1所示�？梢钥闯�，圖1準確地反映了線偏振光通過偏振片時的透光規(guī)律以及馬呂斯定律。通過圖1中的馬呂斯定律關系圖，我們可以精確得到該直線的斜率為2.30，即入射光強I0=2.30，這和實驗測得的最大光強Imax=2.32相對誤差只有0.43%,由此可知在實驗過程中光路擺放合理。眾所周知，傳統(tǒng)的作圖法，用坐標紙描點畫圖，由于人為的主觀因素，即使同一組數(shù)據(jù)，不同人畫的曲線圖不同，誤差不好標定。計算機不僅運算速度快，而且能夠提高數(shù)據(jù)處理的精度，是對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化和發(fā)展。學生在完成實驗報告的同時，又強化了學生的計算機應用能力，有效實現(xiàn)學科的交叉融合，有利于學生成長、成才。

　　三結論

　　數(shù)據(jù)處理及誤差分析的思想應貫穿于實驗教學的始終，啟發(fā)學生學習分析影響實驗結果不確定度的原因，尋求、探討解決方案，長此以往，學生綜合運用知識的能力以及分析、解決問題的能力和綜驗報告時，需要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出透射光強度I隨夾角θ的變化規(guī)律。表格1給出了實驗中測量的數(shù)據(jù)。基于測量的數(shù)據(jù)，利用計算機模擬方法我們畫出透射光強度I隨夾角θ變化的物理圖像，這里我們選擇的計算機語言為IDL，如圖1所示。合素質(zhì)必將得到提高。民航安全是民航類院校始終關注的重中之重，作為教學改革的一個試點，本文著重從精確分析數(shù)據(jù)的角度入手，寄希望于培養(yǎng)學生各方面能力的同時，也能潛移默化地訓練學生一絲不茍的工作態(tài)度。教學改革是一個系統(tǒng)性工程，在緊緊把握教改主線的前提下，我們將努力開拓新的教學模式，爭取將計算機模擬、大學物理、數(shù)學分析等專業(yè)結合在一起，使它們都參與到課程改革中去，這也是本篇文章所要表達的核心思想。

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