計(jì)算機(jī)模擬在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用論文

計(jì)算機(jī)模擬在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用論

文計(jì)算機(jī)模擬在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用論文摘要：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理和誤差分析的思想應(yīng)貫穿于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的始終，并引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。長(zhǎng)此以往，學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力、解決問題的能力和綜合素質(zhì)必將得到提高。關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)模擬；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理隨著信息技術(shù)的發(fā)展和教育教學(xué)現(xiàn)代化的需要，計(jì)算機(jī)已經(jīng)逐漸走進(jìn)學(xué)校，走進(jìn)課堂。尤其是基于互聯(lián)網(wǎng)的在線教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了線上教學(xué)和線下教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，使得課堂教學(xué)發(fā)生了結(jié)構(gòu)性變革。可見，計(jì)算機(jī)給學(xué)校教育教學(xué)注入了新的活力，帶來了新的教學(xué)理念和教學(xué)模式，具有劃時(shí)代的意義。物理本質(zhì)上是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，因此大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是對(duì)物理教育的最原始回歸，是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后受到系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，旨在培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思考能力、動(dòng)手能力以及解決問題的能力。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)具有如下幾個(gè)特征：1.可重復(fù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量大。一般大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，為了減小隨機(jī)誤差往往需要進(jìn)行多次測(cè)量，這樣不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。3.不確定性。物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往受到多方面因素的影響，例如實(shí)驗(yàn)儀器的精度、實(shí)驗(yàn)方法、外部環(huán)境因素、測(cè)量次數(shù)等。因此，在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，往往需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，并找到產(chǎn)生誤差的原因，以期盡可能減小實(shí)驗(yàn)誤差。筆者在多年的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理部分屬于薄弱環(huán)節(jié)，許多學(xué)生對(duì)這一部分的概念和技能掌握達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的要求。我校在數(shù)據(jù)處理中依然要求學(xué)生采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，利用計(jì)算器或手工計(jì)算、手工制圖，很少用計(jì)算機(jī)來處理。而有些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的工作量較大，學(xué)生要花費(fèi)大量時(shí)間處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，必然要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，長(zhǎng)此以往學(xué)生喪失了學(xué)習(xí)興趣，對(duì)數(shù)據(jù)的處理常常會(huì)流于形式，影響到實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量。因此，隨著信息技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)時(shí)代的要求了，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革迫在眉睫。我們建議學(xué)生在掌握手工制圖之外，更要學(xué)會(huì)利用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過這種學(xué)習(xí)方式，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的同時(shí)，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(xué)，學(xué)中研，研中創(chuàng)”。一計(jì)算機(jī)模擬處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可行性計(jì)算機(jī)模擬方法不同于簡(jiǎn)單的導(dǎo)入數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成圖像模式，它需要執(zhí)行人選擇某種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（例如IDL或者M(jìn)atlab）自主的設(shè)計(jì)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(gè)完整的計(jì)算機(jī)模擬制圖需要原始數(shù)據(jù)、編程技術(shù)、程序語(yǔ)言編譯環(huán)境、計(jì)算機(jī)等幾個(gè)要素。原始數(shù)據(jù)來源于每堂物理實(shí)驗(yàn)課，編程技術(shù)是一個(gè)逐漸熟練的過程，學(xué)生可以在平時(shí)的計(jì)算機(jī)課程或者自學(xué)中得到提高。Matlab已經(jīng)為很多大學(xué)生所熟知，大部分工科院校都開設(shè)了此課供學(xué)生選修，我校就有相應(yīng)的Matlab課程。計(jì)算機(jī)是學(xué)生接觸頻率最高的現(xiàn)代信息化工具之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)生宿舍擁有計(jì)算機(jī)的比例非常高，此外我校計(jì)算機(jī)房也可以為學(xué)生提供豐富的計(jì)算機(jī)資源。綜上所述,利用計(jì)算模擬方法處理大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是切實(shí)可行的一種方式。通過此種學(xué)習(xí)方式，可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，減少浪費(fèi)在網(wǎng)絡(luò)或游戲上的時(shí)間，并且潛移默化地增強(qiáng)學(xué)生的編程能力、創(chuàng)新思維。二計(jì)算機(jī)模擬處理大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)例光的偏振現(xiàn)象在光學(xué)發(fā)展中占有重要地位，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用，通過對(duì)光的偏振的了解可以學(xué)習(xí)偏振光的產(chǎn)生以及檢驗(yàn)，并且能夠增強(qiáng)對(duì)電磁場(chǎng)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(dòng)矢量的代表，電矢量的振動(dòng)方向只沿著一個(gè)固定方向的光線稱為線偏振光。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們要通過旋轉(zhuǎn)檢偏器來檢測(cè)線偏振光的通光特性，也就是馬呂斯定律，即I=I0cos20其中10表示通過檢偏器的初始光強(qiáng)，9表示入射光偏振化方向與檢偏器偏振化方向的夾角。當(dāng)以光線傳播方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器的時(shí)候，透射光強(qiáng)度I將會(huì)發(fā)射周期性變化。當(dāng)9=0°時(shí)，透射光強(qiáng)度最大，當(dāng)9=90°時(shí)，透射光強(qiáng)度為極小值，當(dāng)0°<9<90°時(shí)，透射光強(qiáng)度I介于最大值和最小值之間。因此可以根據(jù)透射光強(qiáng)度變化區(qū)分出是否為線偏振光。在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出透射光強(qiáng)度I隨夾角9的變化規(guī)律。表格1給出了實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的數(shù)據(jù)?；跍y(cè)量的'數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)模擬方法我們畫出透射光強(qiáng)度I隨夾角9變化的物理圖像，這里我們選擇的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言為IDL,如圖1所示?？梢钥闯?，圖1準(zhǔn)確地反映了線偏振光通過偏振片時(shí)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(guān)系圖，我們可以精確得到該直線的斜率為2.30，即入射光強(qiáng)I0=2.30,這和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大光強(qiáng)Imax=2.32相對(duì)誤差只有0.43%,由此可知在實(shí)驗(yàn)過程中光路擺放合理。眾所周知，傳統(tǒng)的作圖法，用坐標(biāo)紙描點(diǎn)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(biāo)定。計(jì)算機(jī)不僅運(yùn)算速度快，而且能夠提高數(shù)據(jù)處理的精度，是對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化和發(fā)展。學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的同時(shí)，又強(qiáng)化了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，有效實(shí)現(xiàn)學(xué)科的交叉融合，有利于學(xué)生成長(zhǎng)、成才。三結(jié)論數(shù)據(jù)處理及誤差分析的思想應(yīng)貫穿于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的始終，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)分析影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果不確定度的原因，尋求、探討解決方案，長(zhǎng)此以往，學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力以及分析、解決問題的能力和綜驗(yàn)報(bào)告時(shí)，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出透射光強(qiáng)度I隨夾角9的變化規(guī)律。表格1給出了實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的數(shù)據(jù)?；跍y(cè)量的數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)模擬方法我們畫出透射光強(qiáng)度I隨夾角9變化的物理圖像，這里我們選擇的計(jì)算機(jī)語(yǔ)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(guān)注的重中之重，作為教學(xué)改革的一個(gè)試點(diǎn)，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(xué)生各方面能力的同時(shí)，也能潛移默化地訓(xùn)練學(xué)生一絲不茍的工作態(tài)度。教學(xué)改革是一個(gè)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(xué)模式，爭(zhēng)取將計(jì)算機(jī)模擬、大學(xué)物理、數(shù)學(xué)分析等專業(yè)結(jié)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(dá)的核心思想。參考文獻(xiàn)丘錫彬，唐昌建?基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的現(xiàn)代物理學(xué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