MATLAB在处理大学物理实验数据的应用

1、MATLAB在处理大学物理实验数据的应用学 院 物信学院 姓 名 张 锋 专 业 物理学 学 号 281040109 班 级 08级物理1班 MATLAB在处理大学物理实验数据的应用张锋（281040109）（物理与信息科学学院 物理学专业08级物理1班）摘 要基于计算机语言的实验数据处理是工程和科研中所必备的科学素质,应该成为大学理工科学生的一个重要培养目标; 将大学物理实验数据的处理与MATLAB 语言结合,既能更高效地完成学习任务, 又能为将来的工作和研究提高必备的科学素质。如何融合MATLAB 与大学物理实验的数据处理是教学研究的重要内容。本文提出了在立足大学物理实验课程教学的同时,将

2、MATLAB 软件融入到大学物理实验的数据处理中。关键词 大学物理实验; MATLAB 语言; 科学素质 引言 随着计算机和计算方法的飞速发展,科学计算已经与科学理论和科学实验鼎立为现代科学的三大组成部分, 其中科学计算能力 是指利用现代计算方法和工具( 包括硬件和软件)解决工程和科研中计算问题的能力, 它包括掌握最新的科学计算软件、建立适当的计算模型、采用有效的计算方法、实现高效的编程和运算、对计算结果作正确的表述和解释等到多方面的综合能力。 大学物理实验是高校中的一门基础课,它包括物理科学理论、物理实验、数据处理等内容,具有理论和实践相结合的特点,非常利于培养人才,但若能更进一步,即革新老

3、一套的数据处理方法,将数据处理同科学计算语言相结合,借助计算机进行实验数据处理可以提高解决实际问题的能力,既能出色地完成大学物理实验的教学任务,也为广大理工科学生将来的工作或科研进行了先前教育。 1 大学物理实验的数据处理与MATLAB 语言结合 大学物理实验课在高校人才培养目标中的具体任务主要包括: ( 1) 物理实验的基本理论和知识的学习; ( 2) 实验技能的提高和动手能力的培养; ( 3) 实验数据处理能力的培养和提高; ( 4) 实验结果的综合分析和表述能力的培养; ( 5) 以物理实验为载体,进行实验设计能力、实践探索精神和创新能力的培养。其中 ( 3) 、( 4) 目标实际上就是

4、科学计算能力的培养,对深化学生实践能力、培养创新意识起着非常重要的作用,是学生今后从事各项科学研究和工程实践的基石。因此,在大学物理实验的教学研究和改革的实践中,我们 加强了对大学物理实验的数据处理改革,即运用了科学计算语言MATLAB 进行实验数据处理,着力培养具有现代科学素质的学生。 2 MATLAB 是一门非常适合实验数据处理的语言 2.1 MATLAB 语言的特点 MATLAB (Matrix Laboratory, 矩阵实验室) 软件在现代教育中具有独特优点,是一个非常适合于科学计算和工程应用的数学软件,是国际科学界应用范围最广泛和影响力最强的三大计算机数学语言之一;目前已成为国际公

5、认的最优秀的科技应用软件,在国外的高等院校里, MATLAB 语言已经成为大学生、硕士生和博士生必须掌握的基本语言,鉴于其重要性,国内也有许多高等院校开展了这方面的教学,并在各专业课程的教学中应用越来越广泛。因此探讨MATLAB 和专业课程的结合在教学过程中的实施情况对提高学生的科学计算能力是非常重要的。20 世纪90 年代中期,国外大量课程的教材都已采用数学软件来分析,我们也借此来解决当前我国大学生普遍存在的科学计算能力低下的问题。MATLAB 语言是一门简单易用的程序设计语言, 具有易学性,能让初学者在花费时间少的基础上精通一门计算机语言;具有强大的科学计算及数据处理能力, 拥有600 多

6、个工程要用的数学运算函数,可以帮助完成理工科专业课程中诸多的数值计算、频谱分析等操作; 具有出色的图形图像处理功能,非常好的数据可视化功能,可以快速、准确、形象、直观地得到可视化的计算机模拟与仿真图像;还有应用广泛的模块集和工具箱,可用于不同领域的科学研究;图形用户界面可用于应用程序设计等等。若将其引入大学物理实验数据处理,能够为理工科专业的教学带来一个全新的面貌,是教、学效果得以质的飞跃的理想工具,能够真正提高学生的科学计算能力。2.2 方便数据处理与存取 大学物理实验其根本出发点就在于通过对实验所获取的数据进行处理,求解物理规律中各相关物理量之间的函数关系,分析各相关物理量之间的函数关系,

7、在此过程中能比理论课更胜一筹地理解它们的物理意义, 更有利于掌握知识。在数据处理过程中,对于数据量少的、简单的还勉强可以用老一套的手工方式绘制成图, 但所得效果很不理想;而遇到数据量大时,费时费力,对大部分学生来说甚至根本无法完成数据处理。MATLAB 软件不仅提供强大的数值计算功能,而且还提供强大的数据可视化功能,运用MATLAB 软件可以非常快捷地把实验数据进行有效的处理,并将计算结果绘制成相应的图形结果,甚至还可以把数据变化的过程动态的模拟出来,过程直观、方便,又能形象生动地表现物理变化规律。这样既能让学生看到数据的结果,也能让学生看到数据的变化过程,即看到物理变化过程,以加深理解和掌握

8、物理规律,提高学生的学习兴趣。 数据的存取:在MATLAB 软件中能够非常轻易地把实验中的数据表达为矩阵或者是我们想要的数据格式, 将数据存储在电脑里,在我们想要进行数据处理的时候方便地提出来。将实验数据存于计算机,实验处理利用计算机,为科学研究、工作以及学习提供了现代工具。 2.3 增强对数据处理的科学计算能力,对理工科专业是一个有益的补充理工科专业中需要学生具备计算能力,而现代的理工科大学生更要求能够使用计算机进行计算,这样引入MATLAB 既是专业需要,也符合社会需求;对于非计算机专业的大部分理工科专业教师和学生,计算机语言学习得不多,编程能力不强,若以其他语言来完成数据处理过程,显得有

9、些困难,而且其他计算机语言大都只能完成计算,无法把计算结果直接绘图。而Matlab 集计算和作图于一体,直接完成二合一功能,并且其语言接近一般数学表达形式,所以更加适合于非计算机专业的教师和学生学习掌握。 3 MATLAB 在大学物理实验中的体现 3.1 多数据同时计算的数据矩阵表达方式 在大学物理实验数据处理中,实验结果的计算经常是用同一公式反复进行计算,实验中的一组或多组测量数据在MATLAB 中可作为矩阵进行运算,利用矩阵运算可以同时对一组或多组实验数据进行加、减、乘、除、乘方等基本处理。因此,使用MATLAB 编程,利用计算机进行快迅计算,不用花大量的时间于重复、繁琐的手工计算中,即学

10、生可以节省出大量的时间用于其他方面的研究和学习。 3.2 实验中使用频度最高的几个函数 MATLAB 提供了一系列实验数据统计函数,通过运用这些函数,可以完成实验数据的基本统计分析,求多次测量的平均值的mean 函数、求测量数据中的最小、最大的min 与max 函数,求实验中的一组或多组数据和的sum 函数、求一组或多组实验数据的标准差std 函数等。 3.3 实验结果的图形显示 图形是分析问题、说明问题、显示结果的最好方式,绘图求解实验中的数据是数据处理中常用方法, MATLAB 中有非常方便的制图函数,如: plot ( 基本绘图函数) 、subplot ( 绘制子图函数) 、mesh (

11、 绘制网格图) 等。传统的手工绘图费时、费力,描点、画圆滑曲线时精度不高,坐标纸大小的选取、绘图比例是否合适都会对处理的结果产生影响。而使用MATLAB 中的plot 等函数,可快速准确地标出实验数据点并描出拟合曲线。 3.4 拟合与插值 拟合与插值在大学物理实验数据处理中有很高的实用价值,在科学实验的统计研究中,经常要从一组数据中寻找自变量和因变量之间的关系时,但测量数据中存在误差,此时可以利用ployfit 函数实现最小二乘法拟合, 同时还可以用interp1 函数通过插值求拟合曲线中的某点值。 4 用MATLAB 语言提高实验数据处理能力的一个例子 在单缝衍射实验中,用移测显微镜上每间隔

12、测得的衍射光的光电流共55 个值,为做出光强分布图定义 电流i 矩阵: 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 函数很容易作光强分布图, 如图1所示, 所做图效果并不是很好, 说明数据测量存在误差, 为消除误差, 可以进行三点线性滑动平均, 即依次取每三个相邻数的平均值作为新的数据, 如: i1( 2) = ( i( 1) + i( 2) + i( 3) ) / 3, i1( 3) = ( i( 2) + i( 3) + i ( 4) ) / 3 , , 按此方法得图2, 可以提升学生的数据处理能力。 图1 单缝衍射实验的测量数据 图2 单缝衍射实验数据平滑处理参 考 文 献 1 陈怀琛.大学理工科要把科学计算能力当作一个重要培养目标 J中国大学教学,