網(wǎng)頁版計(jì)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(jì)算器是一款免費(fèi)、無須安裝、不受操作系統(tǒng)限制、可直接在移動(dòng)設(shè)備瀏覽器上運(yùn)行的科學(xué)計(jì)算器。本文結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理教學(xué)中的重難點(diǎn)，介紹網(wǎng)頁版計(jì)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(fèi)、便攜、簡單易學(xué)和計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，為民辦本科高校物理教學(xué)提供一種新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理途徑。

　　關(guān)鍵詞:網(wǎng)頁版計(jì)算器;大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);數(shù)據(jù)處理

　　物理實(shí)驗(yàn)課是高等理工科院校對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修課。物理實(shí)驗(yàn)課使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(shí)能提供綜合性很強(qiáng)的基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰�、提高科學(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(shí)、理論聯(lián)系實(shí)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(shí)踐類課程不可替代的作用[2]。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生面對(duì)大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，必須具備扎實(shí)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(jì)算能力較為薄弱，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)困難最終造成學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)缺乏興趣。選擇合適的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理工具能讓計(jì)算過程變得簡單高效，從而彌補(bǔ)學(xué)生能力的不足，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的熱情。傳統(tǒng)計(jì)算器價(jià)格貴，且使用方法復(fù)雜，學(xué)生需要花費(fèi)大量時(shí)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(jì)算機(jī)軟件如Excel、Origin、MATLAB、Mathematica等[3-11]來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是大多數(shù)民辦本科高校受到實(shí)驗(yàn)室場地條件和辦學(xué)經(jīng)費(fèi)的限制，無法在物理實(shí)驗(yàn)室配置計(jì)算機(jī)。

　　近幾年，隨著智能手機(jī)的普及，師生幾乎人手一臺(tái)，能直接在智能手機(jī)上運(yùn)行的計(jì)算器[2]被大量開發(fā)出來。其中比較優(yōu)秀的移動(dòng)端計(jì)算器如MathStudio是一款可安裝在智能手機(jī)上、功能強(qiáng)大的科學(xué)圖形計(jì)算器，但其APP版是付費(fèi)應(yīng)用的，價(jià)格高昂。而且計(jì)算器在安卓平臺(tái)和iOS平臺(tái)的使用方法還不相同，導(dǎo)致教師在使用MathStudioApp教學(xué)時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。網(wǎng)頁版MathStudio是免費(fèi)的、無須安裝、可直接在移動(dòng)設(shè)備瀏覽器上運(yùn)行。

　　只需打開手機(jī)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(shí)驗(yàn)課堂能使師生在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)便利，還可以為民辦本科高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)節(jié)省辦學(xué)資金。本文重點(diǎn)介紹web版MathStudio在計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)提供一種新途徑。

　　一、網(wǎng)頁版計(jì)算器求實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差

　　網(wǎng)頁版計(jì)算器在多次重復(fù)測(cè)量同一物理量，計(jì)算隨機(jī)誤差的應(yīng)用舉例。參考文獻(xiàn)[1]中長度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，使用游標(biāo)卡尺重復(fù)測(cè)量鋁筒外徑6次。在智能手機(jī)上打開瀏覽器，登錄官網(wǎng)mathstud.io，計(jì)算鋁筒外徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差即多次測(cè)量的隨機(jī)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(diǎn)擊選中StandardDeviation函數(shù)，并將函數(shù)后中括號(hào)里面的數(shù)據(jù)修改為實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，按回車鍵 得到計(jì)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(cè)量結(jié)果表達(dá)式為D外=(34.02±0.03)mm。

　　二、網(wǎng)頁版計(jì)算器在逐差法的運(yùn)用

　　參考文獻(xiàn)[1]中空氣聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)，采用相位比較法測(cè)聲速。先將超聲波發(fā)射信號(hào)和超聲波接受信號(hào)同時(shí)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(cè)量儀上的手輪，超聲波接收器慢慢的遠(yuǎn)離超聲波發(fā)射端。此時(shí)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(shí)，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(gè)位置的數(shù)據(jù)。為了防止回程誤差的產(chǎn)生，在測(cè)量過程中，聲速測(cè)量儀手輪只能朝同一個(gè)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(jì)算位置平均值。

　　三、網(wǎng)頁版計(jì)算器在線性擬合法運(yùn)用

　　參考文獻(xiàn)[1]中光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量實(shí)驗(yàn)，由光電效應(yīng)方程推導(dǎo)出計(jì)算公式U0=heν-We。由此可知，在實(shí)驗(yàn)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(dòng)能也會(huì)變小，其對(duì)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(diǎn)擊選中LinearFitModel函數(shù)后，將函數(shù)前面括號(hào)里面數(shù)據(jù)修改為頻率測(cè)量值，后面中括號(hào)里面數(shù)據(jù)修改為截止電壓測(cè)量值，按回車鍵計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)量相對(duì)誤差為E=1.36%。

　　四、結(jié)語

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

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　　[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(bào)，2019(08):10-13.

　　作者：張亞軍

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