大学物理实验数据处理系统

大学物理实验数据处理系统

牛原，肖霖，成正维

(北京交通大学国家物理实验教学中心，北京,100044)

摘要：

本文用C#完成了“大学物理实验数据处理系统”软件的开发，该软件从大学物理实验数据处理的基本要求出发，包含：坏值的剔除、A类和B类不确定度的计算、实验结果的综合评定、曲线的拟合及显示。该软件有助于学生处理物理实验数据，加深对实验的理解及教师对实验数据处理结果的评判。

关键词：误差理论，不确定度的表示，物理实验数据处理。

一、 引言：

大学物理实验的任务对物理量进行定量的测量，找出各物理量之间的关系，对实验数据的分析处理是认识事物本质的关键，而误差分析与不确定度是实验数据分析中最重要的内容，是理工科学生学习科学方法、培养科学素养的重要环节之一。

在物理实验教学实践中，有关误差与不确定度是教学的一个难点，学生在处理实验数据、对测量结果的评价的过程中对“计算误差”、“合成误差”等的描述欠准确；另外，在对曲线的拟合以及线性关系数据的处理等方面常出现作图不规范、拟合出错误的曲线关系以及对非线性的物理量之间的关系处理不当等等。当然，目前数据处理应用中还有许多数据处理软件，如ORIGIN，MATLAB等等。这些商业软件功能虽然强大，但毕竟不是为大学物理实验量身定做，在使用上还是存在一定的局限性。因此，从实际应用出发考虑，我们用C#完成了“大学物理实验数据处理系统”软件的开发，该软件完成了大学物理实验中对数据处理的基本要求：坏值的剔除、A类和B类不确定度的计算、实验结果的综合评定、曲线的拟合及显示。该软件有助于学生正确处理物理实验数据，理顺误差理论中的相关概念，加深对实验的理解，同时方便教师对实验数据处理结果的评判。该软件独立运行于常见的windows系统平台，软件中所有的处理结果包括绘图都可以保存并打印。

二、 大学物理实验数据处理系统介绍：

软件采用C#在visual 2003的环境下编写，最终生成exe可执行文件。软件的运行需要windows操作系统的组件NET Framework的支持，因此用户需要在计算机上运行 Framework 1.1.exe(或更高版本)为操作系统安装.NET Framework组件，从而为Web和Microsoft Windows客户端应用软件提供最佳的运行库环境。可执行文件Data

图1 软件运行界面

Processing System.exe 总共344K，运行时占

用内存约16M。软件运行界面如图1所示。

软件在运行中，每一次计算执行结束后都

会在文本框输出结果，用户可以在“文件”菜

单中根据自己的需要有选择地进行保存，如图

2所示，所形成的rtf 文档可以用office 的word

字处理软件进行编辑或打印，如图3所示。对

于绘制的图形，在软件中可以选择bmp 或jpg 两类格式进行保

存。

该软件的操作简单：在输入框填入数据后回车即可输入，也

可以通过“添加”按钮或“删除”按钮把数据填入列表框或进行

数据的删除；也可以使用“清空”按钮一次全部删除；对于输入

时漏掉的数据可以在列表框中的右键菜单里点击“插入”来把数

据插入到理想位置。

在选项菜单中，用户可以选择需要拟合的函数类型，包括直线类型、曲线改直类型和多项式类型，如图5所示。

图2 文件菜单图

图5曲线改直拟合的输入界面

图3 实验结果保存后可以用word 编辑打印 图4选项菜单

对于不确定度的估计，按照公式：()u x ==可以直接用该软件进行处理，结果的有效数字位数在word 里进行修改。

例如：《大学物理实验》p18 （成正维主编）。直接测量量的处理结果如图6。

对于间接测量量的处理，《大学物理实验》p20 （成正维

主编），在软件中相应输入框中输入以上直径数据，并键入仪

器误差限：0.004，输入高度数据，并键入仪器误差限：0.02，

将两次计算结果添加到间接测量量的不确定度计

算中，注意长度单位从mm 到cm 的转换，并补充

质量数据，结果如图7。结果的有效数字位数在word 里进行修改。

图6直接测量量的不确定度计算的输入和输出界面

图7. 间接测量量的不确定度计算的输入和输出界面三、 结束语：

本文针对大学物理实验中有关误差及不确定度的教学难点进行尝试性的处理，软件的开发有助于理顺学生学生对数据处理的思路，加深对实验的理解，同时有助于教师对实验结果的评判。

参考文献：

（1） 对实验误差与不确定度教学内容的新思考，朱鹤年，物理实验， 2003,23(1).21-25

（2） 基础物理实验教程－物理测量的数据处理与实验设计，朱鹤年，高等教育出版社，

2003年。

（3） 大学物理实验，成正维，高等教育出版社，2000年。

（4） 李满潮．C#编程语言详解．电子工业出版社，2002年。

（5） 李兰友．Visual C# 图形程序设计实例．国防工业出版社，2003。

（6） 王兵团，桂文豪．数学实验基础．北方交通大学出版社，2003。