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大物实验22论文(中国石油大学) Excel软件在大学物理实验中的应用 摘要: 随着计算机技术的发展，为实验数据的处理提供了极大的方便，使用excel处理数据，对复杂实验数据进行处理，可以省去大量人工计算和绘图工作，减少中间环节的计算错误，从而节省时间，提高精度。 关键字：数据分析 误差精度 Excel 大学物理实验 Excel Software in College Physics Experiment Abstract：With the development of puter technology for the processing of the experimental data provides a great, easy way to use excel software to processing of plex experimental data thus we can save a lot of time in manual calculation and drawing work, and it will also reduce intermediate links miscalculation, thus saving time and improve auracy. Keywords: Errors analysis, Sources of errors, Experimental operation, Excel 一. 引言：大学物理实验是大学本科阶段工科专业的一门必修课，也是为了培养我们计算机专业对于数据敏感度 的一门基础课，而实验数据的处理在课程中对于我们学生比较头疼的地方，基于人工计算的实验数据往往会产生较大的实验误差，手绘的实验数据图更是会产生较大的误差，从而对实验的结果产生致命性的影响。因此本文主要从我所做过的几个实验着手，谈谈如何应用Excel 软件对数据进行处理，来提高实验数据处理的精度和效率。 二. Excle常见函数 利用Excle的内置函数，我们可以轻松得到输入数据的平局值、标准偏差等信息，物理实验中我们常用到的函数有： （1） average函数，用于计算多个参数的算术平均值； （2） stdev函数，用于估算多个参数的标准偏差； （3） VAP函数，用于估算多个参数的标准差； （4） LINEST函数，用于对多个数组进行线性拟合，估算出拟合曲线的斜 率和拮据； 关于函数的使用，我运上学期做的“刚体转动惯量”的实验数据加以说明，实验要求我们通过多次测量刚体的长度，圆盘的直径，取平均值以减少观测误差。 的精度要求是比较高的，如果用笔算的话，粗心的同学可能就会发生计算错误，而用excle计算，则能很好的克服这一问题，我们只需要在平均值那一行（蓝字处）输入计算公式“=AVERAGE(X,Y)”（X,Y）为要计算数据的范围，Excle就会自动计算出所求平均值，其它函数的使用方法也大致相同，只需要我们将选定 要进行计算的数据域，然后调用函数，进行求解。 三Excle绘图 物理实验中，经常需要绘制曲线，Excle软件可以帮助我们实现折线图、散点图等图像的绘制，而在物理实验中，最常见的是绘制实验数据的拟合曲线图等，如拟合直线图。 本学期我完成了“金属电子逸出功与电子荷质比的测量”实验，在实验中，我们 以金属钨为研究对象，应用理查森直线测定法、外延测量法和补偿测量法等基本实验方法以及数据处理的一些技巧来测定电子逸出功及电子荷质比。由实验原理，我们运用理查森直线法，由公式log I0I0I013?logAS?5.04?10loglog可知，与成线性关系，如果以 TT2T2TT2 为纵坐标， 1 为横坐标，要求出逸出电势?，只需求出直线斜率即可，应用理查森直线法T 我们可以避开了A和S的测量，减少了待测量。然而，在此之前，我们还需求I0，在这里就用到了外延测量法。实验中，我们可测得阳极电压U与阳极电流Ia的关系数据表，再利用灯丝电流与温度关系表可得不同灯丝温度T下logIa?Ua关系曲线图，利用Excel软件上的线性拟合便得出logI0，从而精确的求出斜率。而如果我们使用坐标纸手绘出关系曲线， 由表中数据可知1/T对于精度的要求十分高，我们制图时不可避免的会造成很大误差，从而 计算机绘制出图像如下： 图1.原log I0T2 - 1 关系曲线图 T 由上图我们可以清楚的得到K=-21977，提高了计算的精度。 同样的，所我做过的弗兰克赫兹实验中，要求我们选择合适的灯丝电压或第一加速电压以及拒斥电压，绘制5条IA?UGK曲线。以下是我所得到的原始数据。 表1 由表1用excel软件可得图1： 同理，在这学期我所做过的其它实验中，如热效率，液晶光电效应等都是需要精密的绘图来观察曲线变化，从而得到结论，所以应用excel能帮助我们精确的得到实验结论，从而更好的完成实验报告的处理。 三、结束语 Excel软件的功能强大，应用广泛。在大学物理实验数据处理应用发面，主要体现在数据计算和实验测量点作图并拟合曲线，各处响应的拟合曲线函数和相关系数，从而由实验求得某些物理常数或物理量。用Excel软件处理实验数据，也可减轻学生繁杂的数据处理，提高结果的准确性和精度。 参考文献 1李书光,张亚萍,朱海丰.大学物理实验M.北京:科学技术出版社,xx. 2同登科,周生田，张高民.计算方法第二版.中国石油大学出版社，xx. 3陈玉林，留贯，张磊.Excel在大学物理实验数据处理中的应用.实验室研究与探索,xx. 4景志红，郁张玉。改进实验数据处理方法提高学生实验技能J.实验室研究与探索,xx.4 5王丹,李昂,王天会.基于Excel的大学物理实验数据处理,科教文汇,xx.1 6李元成,刘冰,王玉斗.大学物理学。中国石油大学出版社，xx 大学物理实验（2-2）课程论文 石工 摘要 金属电子逸出功与电子比荷测量实验中，我们应用了一种有效、巧妙测量发射电流I。的方法：里查逊直线测定法。它是在实验条件下无法得到所需要的实验值是，采用在实验条件下进行的实验，对实验所得的数据，进行曲线拟合，并通过外推，而得到实验条件下无法实现的实验值。这样一种数据分析方法，我们称之为“外延测量法”。在本实验中，根据费米狄拉克能量分布，可以推导出热电子发射公式：I。=AST.。在原则上只要测出I。，A，S，T，便可由公式计算出逸出功e，但困难的是A和S是难以直接测量的，所以，在实际测量中，常用里查逊直线法确定e，以设法避开A和S的测量。其优点是可避开实际测量中有困难的A和S。 关键词 里查逊直线、金属电子逸出功逸出功、电子比荷 引言 在大学物理实验的学习中我们学到了许多的物理实验方法：里查逊直线法、极限法、外延测量法、补偿测量法.其中里查逊直线法是应用比较广泛的一种方法，在金属电子逸出功与电子比荷测量、动态法测量固体材料的杨氏模量等中都有应用。这就要求我们比较熟悉的掌握它的原理、使用、优点。 正文 金属中存在大量的自由电子，但电子在金属内部所具有的能量低于在外部所具有的能量，因而电子逸出金属时需要给电子提供一定的能量，这份能量称为逸出功。目前应用最广泛的纯金属是钨，本实验就是以钨金属为研究对象，测定其电子逸出功及电子荷值比。 热电子发射公式 根据费米狄拉克能量分布，可以推导出热电子发射公式，称为里查逊杜什曼公式： I。=AST.（1） 式中I。为热电子发射的电流强度（A） S为阴极金属的有效发射面积（cm2） K为波尔兹曼常数 T为绝对温度 e为金属的逸出功 A为与阴极化学纯度有关的系数 原则上，只要测出I。，A，S，T，便可由公式计算出逸出功e，但困难的是A和S是难以直接测量的，所以，在实际测量中，常用里查逊直线法确定e，以设法避开A和S的测量。 里查逊直线法 将式（1）两边除以T2，再取对数，得到 I。/T2=（2） 从式（3）可以看出，I。/T2与1/T成线性关系。如果以I。/T2为纵坐标轴，1/T为横坐标轴作图，通过直线斜率即可求出逸出电位，从而求出电子的逸出功e值。A和S的影响只是使I。/T21/T直线平移。 实验日期： 理必须有简要计算过程。） 实验目的 1了解灵敏电流计的结构和工作原理。 2学习测量岩芯电阻率的方法。 实验原理 岩芯电阻率可以反映出岩芯的孔隙度，从而反映出地层储油多少和渗流能力的大小，它的测量在电法测井和石油开采中具有重要的意义。本实验测量岩芯电阻率的原理 如图1所示，将一圆柱形岩芯固定在夹具之间，通常岩芯 的电阻率较大，因而电流微弱，图中的电 流表是一种能够检测弱电流的灵敏电流计。 设岩芯长度为L，直径为D，则岩芯的电阻大小为 R? LS ? 4L 图1实验原理图 ?D 2 （1） 又由欧姆定律得 R? ?U?I （2） 上式中?U和?I表示电压和电流的变化量。由以上两式得到岩芯电阻率的计算公式为 ? ?D2?U 4L?I （3） 本实验要求分别用逐差法、作图法和最小二乘法处理数据，分别求出岩芯的电阻率。 （说明：“实验原理”包括简要的基本概念和理论、计算公式和必要的原理 图、线路图和光路图，切勿通篇抄教材上已有的实验原理。） 实验仪器 待测岩芯、灵敏电流计（量程5010-10A ，级别0.1）、电压表（量程10V、级别1.0）、直流稳压电源、滑线变阻器、游标卡尺（精度0.02mm）、千分尺（一级）等。 （说明：实验仪器记录要尽量详细一些，数据处理时可能会用到，如电表 量程和级别等。） 实验内容、数据记录及处理 1按照实验线路图正确连接线路 2岩芯参数的测量与数据处理 （说明：注意有效数字和单位） 岩芯长度的测量和不确定度的计算 表1 测量岩芯长度（工具：1/50游标卡尺） 日期:_月_日 16 平均值： L? ?n 1 6 Li? (1.122?1.124?1.120?1.126?1.122?1.118)?1.122cm i?1 不确定度A类分量： n 2 ? uA? i?1 (Li?L)n(n?1) ? 0.002 2 ?0.002 2 ?0.004 2 ?0.004 2 6?5 ?0.0012cm （说明：不确定度一般取1-2位有效数字即可，必须写出单位。） 1/50卡尺极限误差： ?仪?0.02mm 不确定度B类分量： uB? ?仪 3?0.023 ?0.012mm 合成不确定度： uL? uA?uB? 2 2 0.01?0.01 22 ?0.016mm 相对不确定度： B? ?L L ?100%? 0.01611.22 ?100%?0.14% 所以岩芯长度L的测量结果为 ?L?(11.22?0.02)(mm) ? B?0.14%? （说明：实验结果表示为完整形式；特别要注意有效数字、书写格式和单 位。） 岩芯直径的测量和不确定度的计算 表2 岩芯直径（工具：一级千分尺）日期:_月_日 平均值： D? 6 ?n n 1 Di? 16 (4.002?4.003?4.002?4.000?3.998?3.995)?4.000mm i?1 不确定度A类分量： 2 ? u A (Di?D)n(n?1) ? ? i?1 0.002 2 ?0.003 2 ?0.002 6?5 2 ?0.002 2 ?0.005 2 ?0.0012mm 0-25mm一级千分尺极限误差： ?仪?0.004mm 所以不确定度B类分量： uB? ?仪 3?0.004 3 ?0.0023mm 合成不确定度： uD? uA?uB? 2 2 0.0012 2 ?0.0023 2 ?0.0026mm 相对不确定度： B? uDD ?100%? 0.00264.000 ?100%?0.07% 所以岩芯直径D的测量结果： ?D?(4.000?0.003)(mm)? ?B?0.07% 3测量电压和电流 通过移动滑线变阻器触头位置，改变加到岩芯上的电压的大小，记录电压表和灵敏电流计的读数。 表3 电压和电流测量值 日期:_月_日 4逐差法处理岩心电阻率数据 采用隔3（测量次数6/2=3）项逐差的方法，电流差值为表3中3I，电压每次改变?U=6V时电流改变量的平均值为 ?3I? ? 3 3 I ? (I4?I1)?(I5?I2)?(I6?I3) 3 ?11.92?10 ?10 (A) 3I不确定度A类分量为 uA? ?(? 3 Ii?3I) 2 n(n?1) ?0.09?10 ?10 (A) 电流表仪器极限误差为 ?仪? 量程?级别 100 ?50?10 ?10 ?0.1 100 ?0.05?10 ?10 (A) B类分量为 任取一组3I的计算公式，如?3I uB? ? (?3I?I4 2 2 ?I4?I1，用传递公式计算不确定度 uBI4)?( 2 ?3I?I1 uBI1) 2 (uBI4)?(uBI1) 因为 uBI4?uBI1?uBI? ?仪 3 所以 uB? 2uBI? 2?仪 3? 2? 0.05?10 3 ?10 ?0.04?10 ?10 (A) 合成不确定度为 u?I? uA?uB?0.0985?10 2 2 ?10 ?0.10?10 ?10 (A) 相对不确定度为 B? u?I?I ?100%? 0.098511.92 ?100%?0.8% 所以I的测量结果为 ?I?(11.92?0.10)?10? ?B?0.8% ?10 (A) 同理，?U的测量不确定度为 u?U? 2?仪 3 ? 2? 量程?级别 100 3 ? 2? 10?1.0100 3 ?0.08(V) （说明：没有考虑电压U 的不确定度A类分量。） 由式（3）得到岩芯电阻率为 ? ?D2?U 4L?I ? 3.14159?(4.000?104?1.122?10 ?2 ?3 ) 2 ?6.00 ?10 ?11.92?10 ?5.64?10(?m) 6 计算电阻率的不确定度u?，其传递公式为 u? 222 ?22?222?uD?uL?u?U?u?I? ?L?U?I?D?2 ?2D?U? 1/2 ?2?u? I? 2 ? ?4? L?I ?uD? 2 ?D2?U?L2?I?D22?uL?L?I? 2 ?D2?U2 ?u?U?L?2I? 2 ? ? 1/2 为了减少计算的工作量，将上式改写为 u? 222 ?2u?2 ?u?U?uL?u?I?D ? DL?U?I? 1/2 以上有关各值代入上式得到岩芯电阻率的不确定度为 ? ? 22?2u?2?u?2?u?u?UDL?I ? D?L?U?I? 1/2 ?5.64?10 6 ?2?0.003?2?0.02?2?0.08?2?0.10?2? ? 411.22611.92? 1/2 ?0.07?10(?m) 6 于是 B? u? ? ?100%? 0.075.64 ?100%?1.2% 所以岩芯电阻率的