計算機模擬在大學(xué)物理實(shí)驗的應用論文

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

　　關(guān)鍵詞：計算機模擬；大學(xué)物理實(shí)驗；數據處理

　　隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展和教育教學(xué)現代化的需要，計算機已經(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(xiàn)教學(xué)，實(shí)現了線(xiàn)上教學(xué)和線(xiàn)下教學(xué)的有機結合，使得課堂教學(xué)發(fā)生了結構性變革�？梢�(jiàn)，計算機給學(xué)校教育教學(xué)注入了新的活力，帶來(lái)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(mén)實(shí)驗科學(xué)，因此大學(xué)物理實(shí)驗是對物理教育的最原始回歸，是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后受到系統實(shí)驗方法和實(shí)驗技能訓練的開(kāi)端，旨在培養學(xué)生的觀(guān)察能力、思考能力、動(dòng)手能力以及解決問(wèn)題的能力。大學(xué)物理實(shí)驗具有如下幾個(gè)特征：1.可重復性。物理現象具有內在的演化規律，因此在遵循一定規律的前提下，物理現象可以再現。2.實(shí)驗數據量大。一般大學(xué)物理實(shí)驗中，為了減小隨機誤差往往需要進(jìn)行多次測量，這樣不可避免地會(huì )產(chǎn)生大量數據。3.不確定性。物理實(shí)驗結果往往受到多方面因素的影響，例如實(shí)驗儀器的精度、實(shí)驗方法、外部環(huán)境因素、測量次數等。因此，在撰寫(xiě)實(shí)驗報告時(shí)，往往需要對數據進(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)驗誤差。筆者在多年的物理實(shí)驗教學(xué)中發(fā)現，數據處理部分屬于薄弱環(huán)節，許多學(xué)生對這一部分的概念和技能掌握達不到實(shí)驗教學(xué)目標的要求。我校在數據處理中依然要求學(xué)生采用傳統的數據處理方法，利用計算器或手工計算、手工制圖，很少用計算機來(lái)處理。而有些實(shí)驗數據處理的工作量較大，學(xué)生要花費大量時(shí)間處理實(shí)驗數據，必然要耗費大量的時(shí)間和精力，長(cháng)此以往學(xué)生喪失了學(xué)習興趣，對數據的處理常常會(huì )流于形式，影響到實(shí)驗課程的教學(xué)質(zhì)量。因此，隨著(zhù)信息技術(shù)的開(kāi)發(fā)應用，傳統的教學(xué)模式已經(jīng)不能適應時(shí)代的要求了，物理實(shí)驗教學(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 )利用計算機處理實(shí)驗數據。通過(guò)這種學(xué)習方式，學(xué)生在完成實(shí)驗報告的同時(shí)，還可以在編程能力、數據分析能力方面得到鍛煉，在“做中學(xué)，學(xué)中研，研中創(chuàng )”。

　　一計算機模擬處理實(shí)驗數據的可行性

　　計算機模擬方法不同于簡(jiǎn)單的導入數據、自動(dòng)生成圖像模式，它需要執行人選擇某種計算機語(yǔ)言（例如IDL或者M(jìn)atlab）自主的設計源代碼，最終通過(guò)執行源代碼將數據可視化。通過(guò)上述過(guò)程，我們可以看出一個(gè)完整的計算機模擬制圖需要原始數據、編程技術(shù)、程序語(yǔ)言編譯環(huán)境、計算機等幾個(gè)要素。原始數據來(lái)源于每堂物理實(shí)驗課，編程技術(shù)是一個(gè)逐漸熟練的過(guò)程，學(xué)生可以在平時(shí)的計算機課程或者自學(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(kāi)設了此課供學(xué)生選修，我校就有相應的Matlab課程。計算機是學(xué)生接觸頻率最高的現代信息化工具之一，據統計學(xué)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(xué)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(xué)物理實(shí)驗數據是切實(shí)可行的一種方式。通過(guò)此種學(xué)習方式，可以極大地調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習積極性，減少浪費在網(wǎng)絡(luò )或游戲上的時(shí)間，并且潛移默化地增強學(xué)生的編程能力、創(chuàng )新思維。

　　二計算機模擬處理大學(xué)物理實(shí)驗數據實(shí)例

　　光的偏振現象在光學(xué)發(fā)展中占有重要地位，在現代科學(xué)技術(shù)中具有廣泛的應用，通過(guò)對光的偏振的了解可以學(xué)習偏振光的產(chǎn)生以及檢驗，并且能夠增強對電磁場(chǎng)的了解。光波是一種橫波，由于光和物質(zhì)相互作用過(guò)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(zhù)一個(gè)固定方向的光線(xiàn)稱(chēng)為線(xiàn)偏振光。在這個(gè)實(shí)驗中，我們要通過(guò)旋轉檢偏器來(lái)檢測線(xiàn)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(guò)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(xiàn)傳播方向為軸轉動(dòng)檢偏器的時(shí)候，透射光強度I將會(huì )發(fā)射周期性變化。當θ=0°時(shí)，透射光強度最大，當θ=90°時(shí)，透射光強度為極小值，當0°<θ<90°時(shí)，透射光強度I介于最大值和最小值之間。因此可以根據透射光強度變化區分出是否為線(xiàn)偏振光。在撰寫(xiě)實(shí)驗報告時(shí)，需要根據實(shí)驗數據畫(huà)出透射光強度I隨夾角θ的變化規律。表格1給出了實(shí)驗中測量的數據�；�于測量的數據，利用計算機模擬方法我們畫(huà)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(yǔ)言為IDL，如圖1所示�？梢钥闯�，圖1準確地反映了線(xiàn)偏振光通過(guò)偏振片時(shí)的透光規律以及馬呂斯定律。通過(guò)圖1中的馬呂斯定律關(guān)系圖，我們可以精確得到該直線(xiàn)的斜率為2.30，即入射光強I0=2.30，這和實(shí)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(shí)驗過(guò)程中光路擺放合理。眾所周知，傳統的作圖法，用坐標紙描點(diǎn)畫(huà)圖，由于人為的主觀(guān)因素，即使同一組數據，不同人畫(huà)的曲線(xiàn)圖不同，誤差不好標定。計算機不僅運算速度快，而且能夠提高數據處理的精度，是對傳統數據處理的優(yōu)化和發(fā)展。學(xué)生在完成實(shí)驗報告的同時(shí)，又強化了學(xué)生的計算機應用能力，有效實(shí)現學(xué)科的交叉融合，有利于學(xué)生成長(cháng)、成才。

　　三結論

　　數據處理及誤差分析的思想應貫穿于實(shí)驗教學(xué)的始終，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習分析影響實(shí)驗結果不確定度的原因，尋求、探討解決方案，長(cháng)此以往，學(xué)生綜合運用知識的能力以及分析、解決問(wèn)題的能力和綜驗報告時(shí)，需要根據實(shí)驗數據畫(huà)出透射光強度I隨夾角θ的變化規律。表格1給出了實(shí)驗中測量的數據�；�于測量的數據，利用計算機模擬方法我們畫(huà)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(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(lèi)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(zhù)重從精確分析數據的角度入手，寄希望于培養學(xué)生各方面能力的同時(shí)，也能潛移默化地訓練學(xué)生一絲不茍的工作態(tài)度。教學(xué)改革是一個(gè)系統性工程，在緊緊把握教改主線(xiàn)的前提下，我們將努力開(kāi)拓新的教學(xué)模式，爭取將計算機模擬、大學(xué)物理、數學(xué)分析等專(zhuān)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。

　　參考文獻

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