網(wǎng)頁版計算器在民辦本科高校物理教學(xué)中的應(yīng)用

　　摘要:網(wǎng)頁版計算器是一款免費、無須安裝、不受操作系統(tǒng)限制、可直接在移動設(shè)備瀏覽器上運行的科學(xué)計算器。本文結(jié)合物理實驗數(shù)據(jù)處理教學(xué)中的重難點，介紹網(wǎng)頁版計算器在求標(biāo)準(zhǔn)偏差、逐差法和線性擬合法的使用方法。其具有免費、便攜、簡單易學(xué)和計算精度高等優(yōu)點，為民辦本科高校物理教學(xué)提供一種新的實驗數(shù)據(jù)處理途徑。

　　關(guān)鍵詞:網(wǎng)頁版計算器;大學(xué)物理實驗;數(shù)據(jù)處理

　　物理實驗課是高等理工科院校對學(xué)生進行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的必修課。物理實驗課使學(xué)生在實驗思想、方法、手段、技能各方面得到較為系統(tǒng)、嚴(yán)格的訓(xùn)練，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗?zāi)芰Α⑻岣呖茖W(xué)素質(zhì)的重要基礎(chǔ)[1]。它在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識、理論聯(lián)系實際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用[2]。在實驗過程中學(xué)生面對大量的測量數(shù)據(jù)，必須具備扎實的數(shù)據(jù)分析和處理能力。

　　而民辦本科高校學(xué)生普遍理論基礎(chǔ)和計算能力較為薄弱，導(dǎo)致學(xué)生實驗困難最終造成學(xué)生對物理實驗缺乏興趣。選擇合適的實驗數(shù)據(jù)處理工具能讓計算過程變得簡單高效，從而彌補學(xué)生能力的不足，增強學(xué)生對物理實驗的熱情。傳統(tǒng)計算器價格貴，且使用方法復(fù)雜，學(xué)生需要花費大量時間來學(xué)習(xí)掌握。隨著科技的發(fā)展，越來越多師生利用計算機軟件如Excel、Origin、MATLAB、Mathematica等[3-11]來處理實驗數(shù)據(jù)。但是大多數(shù)民辦本科高校受到實驗室場地條件和辦學(xué)經(jīng)費的限制，無法在物理實驗室配置計算機。

　　近幾年，隨著智能手機的普及，師生幾乎人手一臺，能直接在智能手機上運行的計算器[2]被大量開發(fā)出來。其中比較優(yōu)秀的移動端計算器如MathStudio是一款可安裝在智能手機上、功能強大的科學(xué)圖形計算器，但其APP版是付費應(yīng)用的，價格高昂。而且計算器在安卓平臺和iOS平臺的使用方法還不相同，導(dǎo)致教師在使用MathStudioApp教學(xué)時費時費力。網(wǎng)頁版MathStudio是免費的、無須安裝、可直接在移動設(shè)備瀏覽器上運行。

　　只需打開手機瀏覽器，登錄官網(wǎng)mathstud.io即可使用，不受操作系統(tǒng)限制。將網(wǎng)頁版MathStudio引入物理實驗課堂能使師生在處理實驗數(shù)據(jù)時便利，還可以為民辦本科高校實驗教學(xué)節(jié)省辦學(xué)資金。本文重點介紹web版MathStudio在計算標(biāo)準(zhǔn)偏差、逐差法和線性擬合法的應(yīng)用，為民辦本科高校師生在處理實驗數(shù)據(jù)時提供一種新途徑。

　　一、網(wǎng)頁版計算器求實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差

　　網(wǎng)頁版計算器在多次重復(fù)測量同一物理量，計算隨機誤差的應(yīng)用舉例。參考文獻[1]中長度測量實驗，使用游標(biāo)卡尺重復(fù)測量鋁筒外徑6次。在智能手機上打開瀏覽器，登錄官網(wǎng)mathstud.io，計算鋁筒外徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差即多次測量的隨機誤差。在網(wǎng)頁主界面Catalog目錄下找到標(biāo)準(zhǔn)偏差StandardDeviation函數(shù)，點擊選中StandardDeviation函數(shù)，并將函數(shù)后中括號里面的數(shù)據(jù)修改為實驗測量數(shù)據(jù)，按回車鍵 得到計算結(jié)果。即鋁筒外徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差UA=0.020976mm。儀器誤差UB=0.02mm，總不確定度U=0.0289mm。則鋁筒最終測量結(jié)果表達式為D外=(34.02±0.03)mm。

　　二、網(wǎng)頁版計算器在逐差法的運用

　　參考文獻[1]中空氣聲速測量實驗，采用相位比較法測聲速。先將超聲波發(fā)射信號和超聲波接受信號同時接入示波器，并將示波器TIME旋鈕調(diào)至“X-Y”擋位。旋轉(zhuǎn)聲速測量儀上的手輪，超聲波接收器慢慢的遠離超聲波發(fā)射端。此時發(fā)現(xiàn)示波器上的李薩如圖形開始連續(xù)變化，每當(dāng)圖形由橢圓變?yōu)橹本�時，在游標(biāo)卡尺上讀取超聲波接收器的位置，連續(xù)讀取12個位置的數(shù)據(jù)。為了防止回程誤差的產(chǎn)生，在測量過程中，聲速測量儀手輪只能朝同一個方向旋轉(zhuǎn)，中途不能反向。

　　在網(wǎng)頁主界面的命令行第一行輸入前6次游標(biāo)卡尺讀數(shù);在第二行輸入后6次游標(biāo)卡尺讀數(shù);第三行為第二行數(shù)據(jù)減第一行數(shù)據(jù)的差值;第四行用mean函數(shù)計算位置平均值。

　　三、網(wǎng)頁版計算器在線性擬合法運用

　　參考文獻[1]中光電效應(yīng)測普朗克常量實驗，由光電效應(yīng)方程推導(dǎo)出計算公式U0=heν-We。由此可知，在實驗過程中隨著入射光頻率ν不斷的減小，電子吸收光子獲得的動能也會變小，其對應(yīng)的截止電壓U0也應(yīng)減小。即截止電壓U0與入射光頻率ν成正比，兩者關(guān)系圖形為一條直線。

　　在主頁界面Catalog目錄下找到線性擬合LinearFitModel函數(shù)。點擊選中LinearFitModel函數(shù)后，將函數(shù)前面括號里面數(shù)據(jù)修改為頻率測量值，后面中括號里面數(shù)據(jù)修改為截止電壓測量值，按回車鍵計算。結(jié)果顯示斜率a=0.41359，相關(guān)系數(shù)r=0.99924。則普朗克常數(shù)h=ae=6.617×10-34J·s，理論值h0=ae=6.626×10-34J·s，則實驗測量相對誤差為E=1.36%。

　　四、結(jié)語

　　本文結(jié)合物理實驗數(shù)據(jù)處理教學(xué)中的重難點，介紹免費的網(wǎng)頁版MathStudio在計算不確定度、線性擬合和逐差法中的應(yīng)用。相較于使用計算機來進行實驗數(shù)據(jù)處理則必須在教室配置電腦，不僅價格貴，還占用實驗室空間。網(wǎng)頁版計算器不受設(shè)備操作系統(tǒng)限制，只要移動設(shè)備能登錄官網(wǎng)MathStudio.io即可使用，其具有免費、便攜、簡單易學(xué)和計算精度高等優(yōu)點，是一種新的實驗數(shù)據(jù)處理途徑。網(wǎng)頁版計算器的使用不僅可以為師生處理實驗數(shù)據(jù)帶來便利，還能為民辦本科高校實驗教學(xué)節(jié)省資金。本校已將網(wǎng)頁版MathStudio計算器的運用作為課程改革項目[12]引入大學(xué)物理實驗課堂，廣受師生好評。

　　參考文獻:

　　[1]王天會，李昂.物理實驗簡明教程[M].北京:高等教育出版社，2016.

　　[2]劉仁臣，陸靜.力學(xué)基本量測量實驗中育人和育才雙效結(jié)合教育的探索[J].高教學(xué)刊，2019(25):51-54.

　　[3]馬明玥.APP助力高職數(shù)學(xué)課堂教學(xué)的探索與改革[J].數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)與研究，2017(15):12-13.

　　[4]郭曉春.逐差法和Excel在牛頓環(huán)實驗數(shù)據(jù)處理中的比較[J].大學(xué)物理實驗，2017(01):128-130.

　　[5]姬鵬飛，萬明理，孫現(xiàn)亭.Excel和Origin在大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用探討[J].電腦知識與技術(shù)，2021，17(16):227-229.

　　[6]鄭君剛，陳彪，樊旭峰，劉悅.大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理的Matlab應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗，2015(02):116-117.

　　[7]趙文麗，高峰，王永剛，曹學(xué)成.Mathematica在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用舉例[J].物理通報，2019(08):10-13.

　　作者：張亞軍

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http://www.zpfmc.com/dzlw/29280.html