算机在物理实验中的应用
当今,我们已进入计算机和信息时代,计算机已广泛地深入的各行各业,起着越来越巨大的作用.它运算速度快,体积小,可靠性高,通用性与灵活性强,以及很高的性能价格比等特点,把人们带入了一个一切都离不开计算机的新时代.计算机在实验研究领域的应用,即将传统的实验方法和测试手段与计算机相结合,使实验技术产生了巨大的变革,大大提高了实验的水平,给科学研究带来了新的突破.计算机在研究领域中应用的迅速发展使传统的教学实验与实际科研工作之间的差距日益增大.我们应该将计算机这个现代化的手段运用到教与学中去,逐步改进传统的教学方法,缩小差距,适应现实发展的需要.
计算机在物理实验中可以在哪些方面发挥作用呢
计算机辅助物理实验主要包括:
1. 计算机快速地进行实验数据处理
物理实验要测量大量的原始数据,用人工作数据处理是相当烦琐和复杂的,且易于发生错误.发生错误之后,又很难判断是计算中的错误还是测量中的错误.计算机的快速,准确性,可以使人们从繁重的工作中解放出来.还可帮助我们经常保存重要的数据信息,便于随时使用.有时候我们需要将数次实验的结果进行综合分析和比较,计算机可以使这项工作便捷和轻松.用一些尚不完全的数据或模拟的数据对实验的结果进行预测,便于及早发现实验方法和实验设计的问题,避免走弯路.
2. 计算机实时采集数据及数据的处理
利用计算机作终端,通过接口电路传感器和常规仪器共同完成物理量的测量,实时采集数据.克服了人工记录数据的不准确性,提高了测量的精确度,并且可以利用计算机的可绘图性,在处理数据时同步把实验曲线绘制出来.
3. 利用计算机对实验过程进行实时控制
用程序可以安排和控制全部实验过程自动进行,这在现代科学技术中受到普遍重视,同时还可以对实验所需保证的条件进行自动调节,准确控制.
4. 利用计算机模拟物理过程,进行物理仿真实验
在培养学生探索与创新开拓能力方面,实验研究技能的锻炼是课堂理论教学所不可替代的,但实验教学质量的提高长期受各种物质,经济条件的困扰,很多实验由于耗资过大,一些学校无法开设.仿真实验是利用计算机对实验的整个过程进行模拟,包括实验目的,原理,仪器操作,课后的实验报告.具有图文并茂,可操作,设有动态原理图,使实验内容变得生动,易于理解和接受.还可加深人们对物质运动规律的理解,运用计算机形象,生动的演示,使人们破除对一些抽象概念的迷惑.
提高计算机的应用能力,必须在编制程序上下功夫.遇到一些微分,积分的运算,要用数值分析的方法化解成计算机所能接受的形式.应该先作好程序的流程图,在确认流程图比较合理的情况下再进行程序的编写.在计算机的程序设计过程中,人们必须对物理规律作更深层次的理解和掌握,启迪智力,锻炼思维,增进科研能力.
程序要经过计算机运算之后,检验是否存在问题.如果发现问题,须修改.
目前比较流行的编程语言是C语言,VB和VC++.C语言编制的程序在DOS操作系统,Windows操作系统下均可运行.VB和VC++是Windows环境下的编程语言,设计界面与Windows完全一致,能达到可视化的良好效果.因此,学会用这几种语言编程是应当努力的方向.
实验中的结果和数据,也可以作为数据库来保存.在数据库方面,比较流行的编程语言是Foxbase和Vfoxpro,前者在DOS操作系统下运行,后者在Windows操作系统下运行.
针对基础物理实验的情况,现把一些编制的程序及应用情况作一简介.
7.1 计算机进行数据处理
7.1.1 运用平均绝对误差来表示测量结果
如一个物理量x,测量了n次,其测量结果可表述为:

式中:
这种数据处理方法经常使用,程序如下所示.
#include stdio.h
#include math.h
main( )
{
float h[20],y=0.0,p=0,e,aver;
int i,n;
printf(please imput measured times: \n);
scanf(%d,&n);
printf(please imput measured daties: \n);
for(i=1;i<=n;i++)
{
scanf(%f,h+i);
getchar( );
y=y+h[i];
}
aver=y/n;
for(i=1; i<=n;i++)
p=p+fabs(aver-h[i]);
p=p/n;
e=p/aver*100;
printf(arithmetic average value = %f\n,aver);
printf(average abselute error = %e\n,p);
printf(relative error = %f%%\n,e);
}
设该程序的名字为sjcl1.c,经编译,链接后生成可执行程序sjcl1.exe .运行该程序的实例如下:
sjcl1(enter回车)
please input measured times:
10
please input measured daties:
5.234,5.235,5.236,5.232,5.234,5.237,5.236,5.238,5.237,5.233
arithmetic average value = 5.235
average abselute error = 1.6e-3
relative error = 0.03%
7.1.2 运用标准误差来表示测量结果
在科学文献中,标准误差非常通用,它更能客观地反映测量的结果.
如一个物理量x,测量了n次,其测量结果可表述为:

式中:
这种标准误差的数据处理方法程序如下所示.
#include stdio.h
#include math.h
main( )
{
float h[20],y=0.0,p=0,e,aver,q1,q2;
int i,n;
printf(please imput measured times: \n);
scanf(%d,&n);
printf(please imput measured daties: \n);
for(i=1;i<=n;i++)
{
scanf(%f,h+i);
getchar( );
y=y+h[i];
}
aver=y/n;
for(i=1; i<=n;i++)
p=p+pow(fabs(aver-h[i]),2);
p=p/(n-1);
q1=sqrt(p);
q2=sqrt(p/n);
e=q2/aver*100;
printf(arithmetic average value = %f\n,aver);
printf(colume standard error = %e\n,q1);
printf( standard error = %f\n,q2);
printf(relative error = %f%%\n,e);
}
设该程序的名字为sjcl2.c,经编译,链接后生成可执行程序sjcl2.exe .运行该程序的实例如下:
sjcl2(enter回车)
please input measured times:
10
please input measured daties:
5.234,5.235,5.236,5.232,5.234,5.237,5.236,5.238,5.237,5.233
arithmetic average value = 5.235
colume standard error = 1.9e-3
standard error = 0.0006
relative error = 0.01%
7.1.3 运用逐差法进行数据处理
对等间距变化的测量数据常采用逐差法进行处理,即将测量数据平均分成两组,而后把每组的对应量相减,最后再求平均值.
如一个物理量x,测量了n次(偶次),则k = n /2,将x 0 ~ x k-1分为一组,x k ~ x n-1分为另一组.

这种数据处理方法也经常使用,程序如下所示.
#include stdio.h
#include math.h
main( )
{
float h[20],s1=0,s2=0,aver;
int i,n,k;
printf(please imput measured times: \n);
scanf(%d,&n);
printf(please imput measured daties: \n);
for(i=1;i<=n;i++)
{
scanf(%f,h+i);
getchar( );
}
k=n/2;
for(i=1; i<=k;i++)
s1=s1+h[i];
for(i=k+1; i<=n;i++)
s2=s2+ h[i];
aver=(s2-s1)/k;
printf(list of measured daties\n\n);
for(i=1; i<=n;i++)
{
printf( %6.3f,h[i]);
if(i=k) printf(\n);
}
printf(\n\n arithmetic average value = %6.3f\n,aver);
}
设该程序的名字为sjcl3.c,经编译,链接后生成可执行程序sjcl3.exe .运行该程序的实例如下:
sjcl3(enter回车)
please input measured times:
10
please input measured daties:
5.231,7.254,9.245,11.326,13.423,15.512,17.486,19.521,21.397,23.674
list of measured daties:
5.231, 7.254, 9.245, 11.326, 13.423 15.512, 17.486, 19.521, 21.397, 23.674
arithmetic average value = 10.222
7.2 计算机实时采集数据及数据处理
计算机在这一方面的应用主要是将电脑做终端,通过接口电路,传感器和常规物理实验 仪器,共同组成新智能化实验仪器.利用传感器通过接口电路完成一些物理量的测量,其优 点在于提高了数据测量精度,并且利用计算机处理数据时,可以把实验数据的曲线绘制出来, 直观性强.
首先,就传感器方面的一些基本知识作一简单介绍, 传感技术是以物理学,化学,生物 学,电子学,力学,机械,自动控制,测量技术等知识为基础的一门综合性技术学科.它研 究的内容包括多种传感器的工作原理和输出特性, 选用或设计相应的测量电路, 进行非电量的转换和电量的测量.
在一般的传感器系统中, 主要由传感器,电测量电路(包括微机),显示装置等组成, 其 结构如图7.2-1所示.
图7.2-1 传感器系统结构示意图
传感器就是能量变换器.能量变换是泛指各种形式的物理量之间的相互转换, 其中最主 要的是非电量的电测技术, 因此狭义的说, 具有将各种非电量变换为电量这种功能的装置称为传感器, 它不能因能量形态的变换而失去所包含的信息.
传感器把被测量(多为非电量)转化为具有确定关系的电量, 以便进行信息的传输,处理,记录,显示与控制, 它是实现自动检测和自动控制的首要环节.
传感器按能量传递方式分类,可分为参量变换器和电势变换器.参量变换器是将各种物理量变换成电阻,电容,电感或其他的基本电参量.如把热能,光能,压力,长度,位移,加速度等物理量变换成电阻,电容,电感或磁导率等.例如, 常用的电阻丝应变片,电容式变换器,电感式变换器以及光敏电阻,热敏电阻,压敏或气敏,声敏电阻等.电势变换器是将各种物理量变换成电势(电压),电流等电量, 如把机械量,热能,压力,光通量,离子浓度等物理量变换成电压,电流.例如, 感应变换器,光电变换器,压电变换器,热电偶等.
根据输出信号的性质分类, 传感器可分为模拟传感器和数字传感器两类.前者输出为模拟信号(连续量), 它与被测非电量成一定关系, 如需与计算机配合或数字显示, 则必须通过模一数转换环节.数字传感器输出为数字信号(脉冲量,离散量), 可直接与计算机配合或作数字显示, 且抗干扰性较强.传感器中模拟式占大多数,模拟传感器有电阻式,电感式,电容式,压电式,热电偶,热电阻,光电式等.数字传感器有感应同步器,光栅,码盘,磁栅,谐振型传感器等少量几种.
测量电路的作用是把传感器输出的电信号进行调整(放大或衰减),处理(如运算)和变换(模一数变换或数一模变换).测量电路对信号进行调整,处理和变换的整个过程, 信号的能量形式始终是电能形式, 这部分全部为电测量.
从传统意义上来说, 电测量一般指电工和电子测量.从内容上可将电测量分为两大类, 一是电压,电流,功率,能量,相位,频率等电参数的测量, 另一是线性电阻,电感,电容,互感,电容率等电路参数的测量.前者是电性能方面的参数, 后者是电路元件固有属性的参数.
由于电子技术,计算机技术的飞速发展, 在检测与转换装置中普遍采用电子测量装置.归纳起来电子测量装置具有以下特点:
1. 由于电子测量装置惯性小,反应快, 不仅适于静态测量, 更适用于动态过程测量.
2. 电子测量装置的输入阻抗极高, 从被测对象取用功率极小, 甚至完全不取用功率, 故可提高测量准确度, 并可延长传感器的使用寿命.
3. 测量准确度和灵敏度都相当高, 同时电子测量装置能方便地改变量程, 因此测量范围极广.
4. 便于进行多点扫描检测, 进行快速逐点测量.
5. 可将被测的信号远离传输, 从而能够实现集中控制和遥远控制, 尤其是数字信息的传输抗干扰性强, 信息处理十分方便.
6. 其最大的特点是计算机的参与, 使测量系统智能化, 功能齐全, 操作简单, 工作可靠.不但能连续地进行测量和自动记录所测参量, 并能根据测量结果自行判断与运算.因此, 特适用于自动控制,自动调节或对产品自行检测与分类等.
显示装置包括显示器和记录仪器两部分.
显示器是用来显示信号的, 也就是把被测量所包含的信息显示出来.显示一般也分为模拟显示和数字显示, 模拟显示器一般用指针式表,示波器等, 数字显示器最常用的是数字电压表(万用表),数字频率计等.而目前的计算机系统既能显示模拟信号, 又能显示数字信号和文字.
记录仪器用于记录测量过程中信号随时间的变化关系, 特别是动态测试中难以观察的瞬变过程.常用的记录仪器有笔录仪,光线示波器, 高瞬变过程可用记忆示波器,模拟磁带机等.
传感器的信息转换和起转换作用的换能元件及物理解释限于篇幅,这里不再赘述.
7.3 计算机对实验过程的实时控制
典型的计算机数据采集和处理及实时控制系统如图7.3-1所示.其中虚线框中的各部分是将计算机应用于物理实验中所要解决的主要问题,涉及数字电路,计算机接口,计算机硬件以及软件等专门技术.这些专门技术由专门课程学习,限于篇幅,这里不再赘述.
7.4 计算机仿真实验
计算机仿真实验是利用计算机应用软件设计虚拟仪器, 建立虚拟实验环境, 学习者可在这个环境中操作仪器, 模拟真实的实验过程.
我们采用的是中科大开发的《大学物理仿真实验》第二部分即普通物理实验部分, 包括绪论,误差分析,数据处理,力学实验,电学实验,光学实验等22个普物实验.
下面我们只介绍其基本操作方法, 具体的实验中的操作, 应视其具体情况分别对待.
在仿真实验中几乎所有操作都要使用鼠标.如果您的计算机安装了鼠标, 启动 Windows后, 屏幕上就会出现鼠标指针光标.移动鼠标, 屏幕上的指针光标随之移动.下面是本实验操作中鼠标操作的名词约定.
单 击: 按下鼠标左键再放开.
双 击: 快速地连续按两次鼠标左键.
拖 动: 按下鼠标左键并移动.
右键单击: 按下鼠标右键再放开.
7.4.1 系统的启动与退出
在Windows3.x的文件管理器(或Windows 95的开始菜单)里双击大学物理仿
真实验V2.0(第二部分)图标, 启动仿真实验系统.进入系统后出现界面, 单击上一 页,下一页按钮可前后翻页.用鼠标单击各实验项目文字按钮(不是图标)即可进入相应的实验平台.结束仿真实验后回到主界面, 单击退出按钮即可退出本系统.如果某个仿真实验还在运行, 则在主界面单击退出按钮无效, 待关闭所有正在运行的仿真实验后, 系统会自动退出.
7.4.2 仿真实验的操作方法
1. 概 述
仿真实验平台采用窗口式的图形化界面, 形象生动, 使用方便.
由仿真系统主界面进入仿真实验平台后, 首先显示该平台的主窗口一一实验室场景,该窗口大小一般为全屏或640×480象素.实验室场景内一般都包括实验台,实验仪器和主菜单. 用鼠标在实验室场景内移动, 当鼠标指向某件仪器时, 鼠标指针处会显示相应的提示信息(仪器名称或如何操作), 有些仪器位置可以调节, 可以按住鼠标左键进行拖动.
主菜单一般为弹出式, 隐藏在主窗口里.实验室场景上单击右键即可显示.菜单项一般包括: 实验背景知识,实验原理的演示, 实验内容,实验步骤和仪器说明文挡, 开始实验或进行仪器调节, 预习思考题和实验报告, 退出实验等.
2. 仿真实验操作
(1) 开始实验
有些仿真实验启动后就处于开始实验状态, 有些需要在主菜单上选择.
(2) 控制仪器调节窗口
调节仪器一般要在仪器调节窗口内进行.
打开窗口: 双击主窗口上的仪器或从主菜单上选择, 即可进入仪器调节窗口.
移动窗口: 用鼠标拖动仪器调节窗口上端的细条.
关闭窗口: 方法一,右键单击仪器调节窗口上端的细条, 在弹出的菜单中选择返回 或关闭;方法二,双击仪器调节窗口上端的细条;方法三,激活仪器调节窗口, 按 Alt + F4 .
(3) 选择操作对象
激活对象(仪器图标,按钮,开关,旋钮等)所在窗口, 当鼠标指向此对象时, 系统会给出下列提示中的至少一种:
鼠标指针提示.鼠标指针光标由箭头变为其他形状(例如手形).
光标跟随提示.鼠标指针光标旁边出现一个黄色的提示框, 提示对象名称或如何操作.
状态条提示.状态条一般位于屏幕下方, 提示对象名称或如何操作.
语音提示.朗读提示框或状态条内的文字说明.
⑤ 颜色提示.对象的颜色变为高亮度(或发光), 显得突出而醒目.
(4) 进行仿真操作
① 移动对象.如果选中的对象可以移动 , 就用鼠标拖动选中的对象.
② 按钮,开关,旋钮的操作.
按钮: 选定按钮, 单击鼠标即可.
开关: 对于两档开关, 在选定的开关上单击鼠标切换其状态.多档开关, 在选定的开关上单击左键或右键切换其状态.
旋钮: 选定旋钮, 单击鼠标左键, 旋钮反时针旋转;单击右键, 旋钮顺时针旋转. ③ 连接电路.
连接两个接线柱: 选定一个接线柱, 按住鼠标左键不放拖动, 一根直导线即从接线柱引出.将导线末端拖至另一个接线柱释放鼠标, 就完成了两个接线柱的连接.
删除两个接线柱的连接:将这两个接线柱重新连接一次(如果面板上有拆线按钮, 则应先选择此按钮).
④ Windows标准控件的调节.
仿真实验中也使用了一些Windows标准控件, 调节方法请参阅有关Windows操作的书
籍或Windows的联机帮助.

显示
装置
测量
电路
传感器
非电量
信号
图7.3-1 计算机数据采集和处理及实时控制系统框图