１ ２２ 赵立萍杨昕卉尹龙承左桂鸿张军：基于ＪＩｌＡＴＬＡＢ大学物理实验数据处理 实验教学 １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—４８９Ｘ．２０１２．１２．１２２ 基于ＭＡＴＬＡＢ大学物理实验数据处理木 赵立萍杨听卉尹龙承左桂鸿张军 牡丹江师范学院物理系 黑龙江牡丹江 １５７０１２ 摘要通过两个ＭＡＴＬＡＢ拟合曲线的教学实例，探讨ＭＡＴＬＡＢ在大学物理实验数据处理过程中的辅助作用，减小人为 误差，提高工作效率，加深学生对知识的理解，培养学生利用现代教育技术的能力。 关键词ＭＡＴＬＡＢ；大学物理实验；数据处理 中图分类号：０４—３９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１—４８９Ｘ（２０１２）１２—０１２２—０３ Ｄａｔａ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｉ ｎｇ ｏｆ Ｃｏ ｌ Ｉ ｅｇｅ Ｐｈｙｓ ｉ ＣＳ Ｅｘｐｅｒ ｉ ｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ／／Ｚｈａｏ Ｌｉｐｉｎｇ， Ｙａｎｇ Ｘｉｎｈｕｉ， Ｙｉｎ Ｌｏｎｇｃｈｅｎｇ，Ｚｕｏ Ｇｕｉｈｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｊｕｎ 、 ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｂｙ ｔｗｏ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｈｕｍａｎ ｅｒｒｏｒ，ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＭＡＴＬＡＢ；ｃｏｌｌｅｇｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ：ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ａｕｔｈｏｒ’Ｓ ａｄｄｒｅｓｓ Ｍｕｄａｎｊｉａｎｇ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｍｕｄａｎｊｉａｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ １５７０１２ 大学物理实验是理工科学生的一门重要公共基础实 验课程，是学生进入大学后受到系统实验方法和实验技能 物，还缺乏很多相关的教学经验以及政策和硬件上的支 持，但在硕士和博士的科学研究领域中有着较为普遍的 训练的开端，在提高和培养学生的科学素养和实验能力上 应用。 有着极其重要的作用口 。具体地说，培养学生周密设计实 验、精确科学测量、准确数据计算和处理的能力。实验数 据处理方法的选择直接影响实验结果的精确度，大学物理 ２利用ＭＡＴＬＡＢ处理普通物理实验数据 在具体利用ＭＡＴＬＡＢ辅助处理大学物理实验数据时， 可以通过数学模型的建立和参数改变，采集直接测量数 实验中通常采用的数据处理方法有列表法、作图法、逐差 法和最小二乘法等，在数据处理的过程中一般是人工计算 或作图来完成，要求学生能够熟练掌握和应用这些基本的 数据处理方法。然而由于人工计算和作图能够引入一定的 据输入到计算机中，就可以根据实验点拟合实验曲线求 得待测物理量，或是通过人机互动得到待测物理量，这 样能够直接观测到实验数据的变化规律，加深学生对知 识的理解，减小实验处理过程中的人为误差，并提高工 人为误差，会影响实验结果的精确度，且计算和作图过程 繁琐落后。利用ＭＡＴＬＡＢ辅助处理大学物理实验数据能够减 作效率，培养学生运用现代教育技术的能力。 ２．１利用ＭＡＴＬＡＢ拟合直线 小这些人为误差，既是提高数据处理速度和质量的需要， 也是提高学生实践动手能力和现代信息技术运用能力的需 以板式电势差计测量干电池电动势和内阻实验 为例，实验原理如图ｌ所示。各物理量之间的关系： 蓁 竺据是一个值得探讨的问题。 嘴 醋 嗽 １ ＭＡＴＬＡＢ语言特点及应用现状 ＭＡＴＬＡＢ 以其功能强大、界面友善、语言自然、开 放性强的特点，成为应用计算机辅助分析、设计、仿真 １ １２，ｘｅ ＋去 ①。显 Ｌｘ ｓ 与 性关系， 其中 ｚ ｘ・ ｓ／Ｌｓ），是标准电 ｓ的端电压。由①式的 Ｋ ｃ卜＿ ． 一 一 。‘＿亡＝ ＝：＝ 及教学不可缺少的基础软件，是通用的科学计算、数值 仿真及数据可视化的重要工具。它提供了强大的科学运 算，灵活的程序设计流程，高质量的图形可视化与界面设计，丰富的交互式仿真集成环境，以及与其他程序和 语言便于接口的功能。目前，在国外大学，ＭＡＴＬＡＢ已经 Ｉ Ｉ ｌ ………………一 Ｉ — ＝＝＝＝＝＝＝＝ ？ 一 ｒ 卜．ｎ。ｌ 。 融入理工科专业内容之中，包括数学、物理、信号与 ｌ Ｒｓ ｌ 系统、电子线路、自动控制和分析化学等。在工程上 ｌ垦！．． ． 呈 Ｊ 软件ＬＡＢ ： 。ＭＡＴＬＡＢ在我国本科教学中还属于一个较新的事 曼 和 图，‘ 式电势差计测 电动势的 。 一。萋 基金项目：牡丹江师范学院教改工程立项建设项目（１卜ＸＪ１２０８３；１１一ＸＪ１２０８７）。 作者：赵立萍，牡丹江师范学院物理系讲师，研究方向为大学物理、大学物理实验、光学。 ２０１２年４月下第１２期（总第２７０期） 中国教育技术装备 实验教学． 赵立萍杨听卉尹龙承左桂鸿张军：基于ＭＡＴＬＡＢ大学物理实验数据处理 １２３ 表１ 实验测得板式电势差计电阻丝长Ｊ度＿上 Ｒ／Ｑ １ ２ Ｌ ／ｍ ９．３５９ ０ ８．５９３ ２ Ｒ／Ｑ ６ ７ Ｌ ／ｍ ６．５２３ ９ ６．１５１ ２ ３ ７．９１８ ２ ８ ５．８２３ ５ ４ ５ ７．３７２ ｌ ６．９３０ ５ ９ １０ ５．５２６ ８ ５．２５６ ５ 表２直接测量数据求得间接测量数据 Ｒ，Ｑ ／ Ｒ， ｕｏ２ Ｕ／Ｖ ０２１ ２ ３ ０．９３５ ９ １．０６８ ５ ０．８５９ ３ １．１６３ ７ ０．７９１ ８ １．２６２ ９ ６ ７ ８ ０．６５２ ４ １．５３２ ８ ０．６１５ １ １．６２５ ７ ０．５８２ ４ １．７１７ ２ ４ ５ ０．７３７ ２ ｌ＿３５６ ５ ０．６９３ １ １．４４２ ９ ９ ０．５５２ ７ １．８０９ ４ １０ ０．５２５ ７ １．９０２ ４ 斜率和截距可求得干电池的电动势和内阻： 去②；Ｒ ＝ ＿Ｒｓ③。 由直接测量数据（表１）求出１／Ｕ。。（表 ２），在坐标纸上用作图法绘制１／ 与Ｒ之问的 ｎ（ｎ） 图２ １／ｕｏ － 的ＭＡＴＬＡＢ拟合曲线图 变化关系曲线，取其上任意两点求得斜率（五＝０．０９３ ０７ Ｖ１Ｑ ）和截距（６＝０．９７８ ０ Ｖ ），进而得到干电池电动 势［Ｅ，＝Ｉ／ ・ ）＝１．０７４ ４ Ｖ］和内阻（ ＝ｂ／ｋ－Ｒ ＝０．５０８ ２ 由鼓轮读数给出相应出射光的波长值的过程中，由于有人 为因素的影响，必定会带来较大的人为误差。利用ＭＡＴＬＡＢ 语言的基本绘图语句和多项式拟合函数等编写程序，能 够拟合出以鼓轮读数Ⅳ为纵坐标，波长 为横坐标的单色 仪定标曲线，并实现人机交互过程，即由某一鼓轮读数Ⅳ 给出相应出射光的波长 。 实现上述功能的ＭＡＴＬＡＢ程序 执行后能拟合出单色仪 定标曲线（如图３所示），同时命令行中还会显示“请输 入鼓轮读数（１０．５６２—１４．２３８范围）：』Ｉ＼『＝”，此时按要求 输入鼓轮读 后按回车，将会出现鼓轮读数Ｎ对应的出 射光波长数值，完成人机交互过程。例如，输入鼓轮读 数为１３．０００，则会显示波长为４４０．０７０ ０。 Ｑ）。然而由于在坐标纸上手工作图时描点和连线以及 数据读取时误差较大，所以斜率和截距是依据作图法大 致得到的数值，存在较大的误差，而且很费时费力，工 作繁琐。 根据该物理模型，利用ＭＡＴＬＡＢ编制实现上述功能的 程序拟合直线，并求解待测量，就会合理高效得到实验 结果，且减小实验处理过程中的人为误差。ＭＡＴＬＡＢ程序 运行结果显示，ｋ＝Ｏ．０９２ １ Ｖ Ｑ～；ｂ＝Ｏ．９８１ ７ Ｖ～； ＝１．０８６ ０ Ｖ； ＝０．６６１ ４ Ｑ。实验曲线如图２，其中ｋ为拟 合直线的斜率，６为拟合直线的截距， 为待测干电池的 个电动势， 为待测干电池的内阻。 ２．２利用ＭＡＴＬＡＢ拟合曲线 对于手工作图来说，拟合曲线要比拟合直线复杂 得多，下面以单色仪定标为例进行分析。单色仪定标 是大学物理实验中光学部分实验，通常采用汞灯作为 光源，测量鼓轮读数与已知的各个波长的对应关系， ３结论 通过两个教学实例可以看出，在绘制实验曲线、计 并在坐标纸上手工绘制出单色仪定标曲线，从而可以 确定鼓轮读数对应的未知出射光波长。具体实验数据 详见表３。 据，在坐标纸上绘制出单色仪的定标曲线。这种手工 绘制的曲线，无论是在作图过程中，还是在坐标纸上 表３单色仪定标实验数据 波长＾／ｒｉｍ鼓轮读数Ⅳ 波长 ／ｒｉｍ鼓轮读 ５７９．０７ ５７６．９６ ５４６．０７ 慧 传统手工作图都是根据表３单色仪定标实验数 襄 １０．５６２ １０．５９４ １０．９６３ ４９１．６０ ４３５．８４ ４０７．７８ １１．７９８ ｌ３．１５２ １４．１０９ 波长￣．／ｎｍ ４９６．０３ １１．７１２ ４０４．６６ １４．２３８ 图３ ＭＡＴＬＡＢ拟合的单色仪定标曲线 ２０１２年４月下第１２期（总第２７０期） ｌ２４ 张松华陆秀令：调制解调软件实验建设的研究 实验教学 ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—４８９Ｘ．２０１２．１２．１２４ 调制解调软件实验建设的研究术 张松华陆秀令 湖南工学院电气与信息工程系湖南衡阳４２１００２ 摘 要针对采用硬件开设调制解调实验的不足，提出采用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ、ＭＡＴＬＡＢ、ＬａｂＶＩＥＷ开设软件实验的方法，并 给出完整的仿真实例。通过以上实例可以证明，软件实验对于调制解调的实验教学可以起到非常积极的作用。 关键词调制解调；软件实验；Ｍｕｌｔｉｓｉ￣ｎ；ＭＡＴＬＡＢ；ＬａｂＶＩＥＷ 中图分类号：Ｇ６４２．４２３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１－４８９Ｘ（２０１２）１２—０１２４－０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｘｐｅｒ ｉ ｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｏｄｕ ｌ ａｔ ｉ ｏｎ ａｎｄ Ｄｅｍｏｄｕ Ｉ ａｔ ｉ ｏｎ／／Ｚｈａｎｇ Ｓｏｎｇｈｕａ．Ｌｕ Ｘｉｕｌ ｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ ＴｈｉＳ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ＭｕｌｔｉＳｉｍ，ＭＡＴＬＡＢ， ＬａｂＶｌＥＷ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｃｈｉｅｆｌｙ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｅｓｔｉｆｙ ｔｈａｔ ｉｔ ｉＳ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｒｅｆｏｒｍ ｏｆ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ｓｏｆｔｗａｒｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ：Ｍｕｌｔｉｓｉｍ：ＭＡＴＬＡＢ：ＬａｂＶＩＥＷ Ａｕｔｈｏｒ’Ｓ ａｄｄｒｅｓｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｈｕｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｎｇｙａｎｇ，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ ４２１００２ 调制解调是通信系统中的重要组成部分，是通信原 理教学中的重要内容，实验是教学中的一个重要环节， 与理论教学起到相互促进的作用 。传统教学中的调制解 调硬件实验，设备配置多、接线繁琐、实验过程复杂， 仿真实例阐述ＭｕｌｔｉＳｉｍ、ＭＡＴＬＡＢ、ＬａｂＶＩＥＷ软件在调制解 调实验中应用的可行性。 １基于ＭｕＩｔｉ ｓｉｍ的调制解调实验 图１所示电路是基于ＭｕｌｔｉＳｉｍ平台实现ＡＭ－ＤＳＢ调制解 因而准备和进行的时间长、效率低、效果差，达不到 调的实验原理图。在此原理图中，通过开关Ｊ１可以很方 便地实现ＡＭ与ＤＳＢ的转换：当Ｊｌ闭合时，此图可实现ＡＭ调 制解调；当Ｊ１断开时，此图可实现ＤＳＢ调制解调，原理和 操作都十分的简单便利。下面以ＡＭ调制解调为例进行说 明 。 预期的实验教学目的。计算机仿真具有精度高、通用性 强、重复性好、建模迅速以及成本低廉等许多优点，尤 其是近年来发展了以ＭｕｌｔｉＳｉｍ、ＭＡＴＬＡＢ、ＬａｂＶｌＥＷ为代表 的多种科学计算和系统仿真语言，使用起来比利用传统 的Ｃ／Ｃ＋＋语言进行仿真方便快捷得多，因此计算机仿真技 术在国内学术界和科技界的迅速普及，也大大提高了科 学研究的效率 。本文以ＭｕｌｔｉＳｉｍ、ＭＡＴＬＡＢ、ＬａｂＶＩＥＷ 为软件平台，研究调制解调软件实验项目的仿真，通过 将图１中各参数进行如下设置：Ｊｌ闭合，Ｖｌ为１ Ｖ、１ ＫＨｚ，Ｖ３为２ Ｖ、ｉ００ ＫＨｚ，Ｖ６为２ Ｖ、１００ ＫＨｚ的交流电压波 形，ｖ２为２ ｖ直流电压波形，仿真波形如图２（ａ）所示。 图中ｍ ＝ｉ／２＝０．５，其中波形由上至下依次为调制信号波 ￥基金项目：湖南省教育厅教研教改项目（文件号：湘教通［２０１０］２４３），衡阳市科学技术发展项目（编号：２０１０ＫＧ０５６），湖南工学 院科学研究项目（编号：ＨＹＩＯ００８），湖南工学院质量工程建设项目（编号：Ａ１１２５）。 作者：张松华，讲师，主要从事通信、电子信息、ＬａｂＶＩＥＷ虚拟平台建设、神经网络等方面的科研和教学工作。 算和求待测物理量等方面，ＭＡＴＬＡＢ程序辅助处理大学物 但这种方法只能减小误差，并不能避免误差。 理实验数据，可以大大减少计算工作量，减小由于作图 和计算而引起的人为误差，得到相对准确的拟合曲线， 体现了ＭＡＴＬＡＢ语言在物理实验数据处理过程中的优越 性，同时也能促进学生对大学物理实验的原理、操作和 数据处理的理解，培养学生的科学素养、动手能力、分 析能力和解决问题的能力，达到更好的教学效果。 参考文献 ＭＡＴＬＡＢ处理大学物理实验数据不能完全取代人工计算和 作图，在计算或作图过程中仍然要以人工处理为主， ＭＡＴＬＡＢ程序处理为辅，两者相辅相成。因为完全依赖计 算机处理实验数据，容易使学生忽视逐差法和最小二乘 法等数据处理方法的实质，不利于学生的学习。总之， ＭＡＴＬＡＢ处理普通物理实验数据只能是一种辅助手段。 ［１］杨秀娟．大学物理实验课堂教学改革的几点探索［Ｊ］．中国教育创新导刊，２００８（１４）：７０． ［２］朱衡君．ＭＡＴＬＡＢ语言及实践教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５（１）：３２－６８． ［３］赵立萍．基于ＭＡＴＬＡＢ板式电势差计测量的数据处理［Ｊ］．牡丹江师范学院学报：自然科学版，２０１０（４）・：２６—２７ ［４］赵立萍．基于ＭＡＴＬＡＢ的单色仪定标实验数据处理［Ｊ］．牡丹江师范学院学报：自然科学版．２０１ １（２）：１８—１９． ２０１２年４月下第１２期（总第２７０期） 中国教育技术装备
