软件作图在物理实验的必要性

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摘要:作图法广泛用于各种数据的处理，使用Excel、O-rigin和Matlab等科研软件作图对于物理实验数据的分析非常实用。无论是从专业知识的深入学习，比如追求结果的科学性、严谨性、精确性和数据背后深层次的物理意义，还是从个人实践技能及综合素养的提升等角度来看，用软件作图处理物理实验数据都完全有必要。

关键词:Excel；Origin；Matlab；科研软件；物理意义

1引言

学生在中学就接触了物理实验，那时更多地只关注实验现象。上了大学，“大学物理实验”课能从物理原理出发，重现每一个实验，并通过实验数据的分析来研究其物理本质和深层次的科学意义。如今的技术条件很容易完成许多物理实验[1]。然而，前辈物理学家们当年在从事一些经典的物理实验时，都是反复做了很多次，得到了大量数据。对实验学科而言，有了数据，就得赶紧处理、分析数据。很多实验都是用来验证某些物理规律、定理、定律等。而这个过程对应于数学上的某种函数关系，要描述这种关系，最直接、最有效的方法就是作图。早期因为条件所限，科学家处理物理实验数据时都是手工作图，这种作图效率低下、结果不精确、数据资料不易保存。后来发明了坐标纸，就习惯用坐标纸来作图，这是一项基本功的训练，虽然能处理一些图像，但是枯燥乏味，而且对于数据点非常多或者非线性关系的作图就无能为力。如今科学飞速发展，处理实验数据时可以使用各种科研软件来作图。软件作图有很多好处，它方便、快捷、高效，得到的结果严谨、精确、可靠，分析更为丰富，还可以深入挖掘数据背后的物理意义，是真正意义上的科学作图。下面将分三点来论述用软件作图处理物理实验数据的必要性。

2必要性分析

2.1客观硬件、软件条件的支持促进了使用软件作图来分析实验数据。进入21世纪，人们的物质生活水平普遍提高，大学生基本都有电脑，用电脑安装各种科研软件来处理、分析实验数据是完全可行的。首先，在第一学期都会学习一门类似“计算机文化基础”的课，该课程是对所有学生进行电脑知识的入门普及。其中，在Office章节就会学到如何使用Excel来处理、分析数据。平时在很多地方看到的精美图像就有不少是通过Excel作图得到的。用Excel来分析数据，比如画折线图、误差曲线、直方图、圆饼/柱状图等都是非常快捷有效的。其次，很多理工科院校都会开设诸如C语言/C++、Java和Matlab等计算机编程、设计方面的课程。学校开设这些课程，肯定是希望学生能够学以致用，其实Matlab就可以用来处理大学物理实验中的数据。因为用Matlab来画图、分析数据能直接得到精确的数值解，并能拟合出绝大部分数据关系对应的物理方程，这就有助于学生对实验物理本质的了解。这种方式还可以激发学生的学习兴趣，真正解决关键科学问题，收到良好效果。最后，兴趣使然，不少同学在大学期间就跟着导师做科研项目，他们经过一段时间的学习和训练就会精通用Origin等专业科研软件来画图、分析实验数据，这当然也可应用于大学物理实验数据的处理中。其实在以上三个软件中，最受欢迎、最常用、最好用的就是Origin，它界面友好、功能强大、易学易掌握，是科研工作者们画图时的首选。诸多实践表明[2-3]，用Origin来画图、分析物理实验数据是非常实用的。此外，在许多教改、科研类的学术论文中，我们看到的许多线图，往往都是利用Ori-gin软件制作出来的，它功能强大。显然，相对于古老的手工制图和传统的坐标纸作图，用科研软件来作图并分析物理实验数据具有压倒性的优势，如快捷、高效、严谨、科学、可重复、易保存。2.2专业物理知识的深入学习要求使用。科研软件来科学、规范地作图“物理实验”是一门实践性课程，它要求学生能用所学物理知识来解答一些物理实验问题。但是在实验课程的学习过程中，有一个很严重的问题，就是很多同学的实验报告不能保质保量完成，尤其是在“实验数据的分析与处理”这一环节做得不到位，主要表现在制表不规范、画图不严谨、细节不注意、结果分析不深入、误差不讨论等多方面。需知实验报告是用书面形式总结自己的实验工作，并把它拿来跟同行交流，是很重要的学术资料。而这些都要求大家对物理专业知识进行更深入的研究。许多物理实验的数据关系非常复杂，如何从物理的角度去思考，并能拟合出数学上的函数关系，尤其是非线性的函数图像，并把每一个参数赋予物理意义，这是重点。这些工作通过Excel、Origin和Mat-lab等软件的强大数据分析功能就可以完成。在处理实验数据时，通常会遇到非线性的函数图像，弄清楚其中的一些关键参量所代表的物理意义是非常重要的。用传统的坐标纸去绘制非线性的图像，尤其是对于那些关键物理量取值、计算要求精度高的实验就不合适。这时，用科研软件绘图的重要性就体现出来。比如，最常用的O-rigin软件就能够对实验数据进行非线性曲线拟合，有多项式拟合、指数增长/衰减拟合、S形函数拟合、高斯拟合、洛伦兹拟合和多峰拟合等。这些曲线中的极值点、奇点、边界点、拐点、跳跃点等往往隐含了非常重要的物理信息，从中可以理解物理现象与规律，揭示深层次的物理本质。很明显，软件作图手段上的创新使学生提高了学习效率，激发了学习兴趣，对物理知识的掌握更加深入和全面。2.3技能和综合素养的提升是软件作图处理实验数据带来的良好结果。在实验数据的处理与分析中，需要实事求是的态度和严谨的科学作风，只有经过规范性的学习与实践，方能为日后的学习、生活和工作培养良好的习惯。“物理实验”课程旨在全面考查学生理论联系实际、发现问题、解决问题的能力。在实验过程中就会有探究、摸索和验证的环节，经过软件规范作图的实践，它能够较好地培养学生求实的品格、踏实的学风和缜密的思维。用软件画图的过程能让人静下心来，仔细思考，好好分析数据图像背后的物理规律，这本身就是一个思辨的过程，它能够培养人的耐心、毅力和逻辑思维能力。实验讲究的是尊重原始数据，在画图分析过程中，如果遇到一些反常的点，会让我们深入思考，去找原因，从而做到举一反三，有时就可能有意外的收获。通过数据、通过图像去找规律，能够锻炼人的逆向思维能力。此外，不少同学有本科毕业后继续读研、读博或出国深造的强烈意愿，那么现阶段就开始用科研软件来正确处理实验数据，这样一种训练能为以后的科学研究工作打下很好的基础，有助于提升其综合素养。

3结论

总而言之，使学生有效使用各种科研软件来正确处理实验数据，画出规范的图表并会对其进行科学合理的分析，掌握数据结果所反映的物理意义，对于加深对“物理实验”课程的理解至关重要。使用Excel、Origin、Matlab等科研软件来处理实验数据，画出的图无疑更为完美，结果更可靠、更严谨，精确度更高，背后的物理图像、物理模型更为清晰，非常值得推广应用。

参考文献

[1]李兴鳌,李三龙.物理实验教程[M].上海:上海交通大学出版社,2017.

[2]曾明荣.Origin在物理化学实验数据处理中的应用[J].高校实验室工作研究,2007(2):12-14.

[3]王晓雄,陈恺,李相银.利用色散关系拟合氢原子光谱定标曲线[J].大学物理实验,2008,21(4):24.

作者:何学敏 李斌 陈伟 李永涛 单位:南京邮电大学理学院