论文部分内容阅读
摘要：MATLAB软件具有强大的计算、数据可视化以及可编程功能。利用MATLAB处理物理实验数据及绘制图形可以提高工作效率和数据分析的准确性。通过实践表明，把MATLAB软件引入物理实验和教学可以明显提高学生的学习兴趣和效率。
关键词：物理实验；MATLAB；数据处理
作者简介：翟凤潇（1979-），男，河南永城人，郑州轻工业学院技术物理系，讲师；代海洋（1982-），男，河南睢县人，郑州轻工业学院技术物理系，讲师。（河南 郑州 450002）
基金项目：本文系郑州轻工业学院项目（No.2010BSJJ031）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）01-0097-02
物理学是一门以实验为基础的科学，物理实验教学和物理理论教学具有同等重要的地位，它们既有深刻的内在联系和配合，又有各自的任务和作用。物理实验是科学实验的先驱，具有大多数科学实验的共性，在实验思想、实验方法以及实验手段等方面是各学科科学实验的基础。[1]因此物理实验是对高等工业学校学生进行科学基本训练的一门独立的必修基础课程，是学生进入大学后受到的系统实验方法和实验技能训练的开端，是工科类专业对学生进行科学实验训练的重要基础。
大学物理实验课程对学生能力和素质的培养不仅包含通常意义上的实验技能和操作技能，更包含了实验过程发现问题和解决问题的能力、综合分析能力以及总结表达能力等。本课程培养与提高学生的科学实验能力的一个方面就是能够正确记录和处理实验数据、绘制图表。只有正确处理实验数据绘制相关图表，才能清楚阐述实验内涵。有些实验数据的处理是一个复杂繁琐的过程。然而随着计算机技术的发展与在各领域的应用，大大提高了工作效率。同样地，在教学中引入计算技术不但可以把师生从低级繁琐的劳动中解放出来，还可以提高学生的学习兴趣和效率。目前，在科学研究、工业生产等领域中各种软件应用越来越广泛，如MATLAB、Origin等被用于科学实验数据处理。本文介绍了MATLAB软件在金属钨的电子逸出功实验数据处理中的应用。
一、MATLAB软件介绍
MATLAB是一种高性能的、用于工程计算的编程软件，它把科学计算、结果的可视化和编程都集中在一个使用非常方便的环境中。[2]由于软件具有强大的功能、操作简单等优点，在国外的高校中已普遍把MATLAB作为专用的科学计算语言来开设，已成为大学生、研究生、教师必备的基本技能。MATLAB可以进行矩阵运算、数据可视化、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言程序等。
如今，MATLAB已经成为高等数学应用、自动控制理论、时间序列分析、动态系统仿真等高等课程的基本教学工具。作为优秀的科技应用软件MATLAB具有诸多特点。[3]
二、实验原理及数据处理
电子从加热金属中发射出来的现象，称热电子发射。研究热电子发射的目的之一，就是要选择合适的阴极材料。逸出功是金属的电子发射的基本物理量。热电子发射，就是利用提高阴极温度的办法，改变电子的能量分布，使其中一部分电子从金属中发射出来。因此，逸出功的大小对热电子发射的强弱具有决定性的作用。热电子发射可由里查逊-杜什曼（Richardson-Dushman）公式表示：
（1）
原则上，只要测出I0，A，S，T，便可由上式计算出逸出功，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，以设法避开A和S的测量。将式（1）变形可得：
（2）
从（2）式可以看出，与成线性关系。如果以为纵坐标轴，为横坐标轴作图，从得到的直线斜率即可求出电子的逸出功值。A和S的影响只是使直线平移。式中的I0是不存在外电场时的阴极热发射电流。为了消除空间电荷的影响，需在阳极加一正电压，于是阳极和阴极之间形成一加速电场Ea，使电子加速飞向阳极。以圆柱同轴电极结构二极管为例，加上电压Ua后阴极的发射电流为：
（3）
可见，温度T一定时，与成线性关系。此直线的截距为1gI0。由此便得到温度为T，电场为零时的发射电流I0。从本实验原理可以看出，经过巧妙的处理，避开一些物理量的测量，为学生提供了一种数据处理的方法。本实验需要测量的数据较多，处理计算量大。如果利用MATLAB优越的计算和作图性能，将简化实验处理的工作量并提高数据处理的科学性。
实验采用南京佳沃仪器厂的JLW型金属钨逸出功实验测试仪。设定7个不同的加热温度，温度由灯丝电压确定。通过Matlab编程语言把原始测量数据（Ia，Ua）进行最小二乘法线性拟合处理得到。MATLAB代码如下：
通过简单的MATLAB代码编写，我们可以得到在不同温度下金属的发射电流，结果如图1所示。把发射电流和温度代入公式（1），即可通过求直线的斜率得到电子的逸出功。其MATLAB代码编写与上述代码类似，函数关系拟合结果如图2所示，回归直线为y=-2.2727*x+1.8451。于是可以得到电子逸出功，与钨的电子逸出功公认值比较接近。
三、结论
利用MATLAB软件强大的计算和作图功能，处理了电子逸出功的实验数据。通过简单的代码编写，可以得到实验结果和绘制美观的图形。笔者在指导本实验时，把学生分为三组（每组10人）对实验结果分别用绘图法、最小二乘法和MATLAB软件辅助法进行处理。结果表明，用传统绘图法所得结果较后两种在分析的准确性方面有明显的不足。即使同一组数据，不同的同学用坐标描点绘图得到的结果也不同，具有随意性。用最小二乘法所得结果与MATLAB软件分析基本相同，但是计算工作量较大。用MATLAB软件编写数据处理代码，只需把测量原始数据导入，即可得到实验结果，且分析的准确度高避免了传统绘图时的人为随意性。经比较，利用MATLAB软件数据处理的实验组实验报告完成较快，数据分析准确度更高。
把MATLAB引入物理实验中，使同学们认识到利用软件进行数据处理的重要性。通过简单的实验数据处理，这样既提高了学生学习的积极性又可以让学生把物理实验与计算机技术结合起来。培养了学生分析问题、动手解决问题的能力，为学生在以后做毕业论文、毕业设计以及以后的研究工作中打下基础。
参考文献：
[1]缪兴中.大学物理实验教程[M].北京:科学出版社,2006.
[2]薛定宇,陈阳泉.高等应用数学问题的Matlab求解(第二版)[M].北京:清华大学出版社,2008.
[3]郑阿奇,曹弋,赵阳.Matlab实用教程[M].北京:电子工业出版社,
2004.
（责任编辑：刘丽娜）
关键词：物理实验；MATLAB；数据处理
作者简介：翟凤潇（1979-），男，河南永城人，郑州轻工业学院技术物理系，讲师；代海洋（1982-），男，河南睢县人，郑州轻工业学院技术物理系，讲师。（河南 郑州 450002）
基金项目：本文系郑州轻工业学院项目（No.2010BSJJ031）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）01-0097-02
物理学是一门以实验为基础的科学，物理实验教学和物理理论教学具有同等重要的地位，它们既有深刻的内在联系和配合，又有各自的任务和作用。物理实验是科学实验的先驱，具有大多数科学实验的共性，在实验思想、实验方法以及实验手段等方面是各学科科学实验的基础。[1]因此物理实验是对高等工业学校学生进行科学基本训练的一门独立的必修基础课程，是学生进入大学后受到的系统实验方法和实验技能训练的开端，是工科类专业对学生进行科学实验训练的重要基础。
大学物理实验课程对学生能力和素质的培养不仅包含通常意义上的实验技能和操作技能，更包含了实验过程发现问题和解决问题的能力、综合分析能力以及总结表达能力等。本课程培养与提高学生的科学实验能力的一个方面就是能够正确记录和处理实验数据、绘制图表。只有正确处理实验数据绘制相关图表，才能清楚阐述实验内涵。有些实验数据的处理是一个复杂繁琐的过程。然而随着计算机技术的发展与在各领域的应用，大大提高了工作效率。同样地，在教学中引入计算技术不但可以把师生从低级繁琐的劳动中解放出来，还可以提高学生的学习兴趣和效率。目前，在科学研究、工业生产等领域中各种软件应用越来越广泛，如MATLAB、Origin等被用于科学实验数据处理。本文介绍了MATLAB软件在金属钨的电子逸出功实验数据处理中的应用。
一、MATLAB软件介绍
MATLAB是一种高性能的、用于工程计算的编程软件，它把科学计算、结果的可视化和编程都集中在一个使用非常方便的环境中。[2]由于软件具有强大的功能、操作简单等优点，在国外的高校中已普遍把MATLAB作为专用的科学计算语言来开设，已成为大学生、研究生、教师必备的基本技能。MATLAB可以进行矩阵运算、数据可视化、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言程序等。
如今，MATLAB已经成为高等数学应用、自动控制理论、时间序列分析、动态系统仿真等高等课程的基本教学工具。作为优秀的科技应用软件MATLAB具有诸多特点。[3]
二、实验原理及数据处理
电子从加热金属中发射出来的现象，称热电子发射。研究热电子发射的目的之一，就是要选择合适的阴极材料。逸出功是金属的电子发射的基本物理量。热电子发射，就是利用提高阴极温度的办法，改变电子的能量分布，使其中一部分电子从金属中发射出来。因此，逸出功的大小对热电子发射的强弱具有决定性的作用。热电子发射可由里查逊-杜什曼（Richardson-Dushman）公式表示：
（1）
原则上，只要测出I0，A，S，T，便可由上式计算出逸出功，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，以设法避开A和S的测量。将式（1）变形可得：
（2）
从（2）式可以看出，与成线性关系。如果以为纵坐标轴，为横坐标轴作图，从得到的直线斜率即可求出电子的逸出功值。A和S的影响只是使直线平移。式中的I0是不存在外电场时的阴极热发射电流。为了消除空间电荷的影响，需在阳极加一正电压，于是阳极和阴极之间形成一加速电场Ea，使电子加速飞向阳极。以圆柱同轴电极结构二极管为例，加上电压Ua后阴极的发射电流为：
（3）
可见，温度T一定时，与成线性关系。此直线的截距为1gI0。由此便得到温度为T，电场为零时的发射电流I0。从本实验原理可以看出，经过巧妙的处理，避开一些物理量的测量，为学生提供了一种数据处理的方法。本实验需要测量的数据较多，处理计算量大。如果利用MATLAB优越的计算和作图性能，将简化实验处理的工作量并提高数据处理的科学性。
实验采用南京佳沃仪器厂的JLW型金属钨逸出功实验测试仪。设定7个不同的加热温度，温度由灯丝电压确定。通过Matlab编程语言把原始测量数据（Ia，Ua）进行最小二乘法线性拟合处理得到。MATLAB代码如下：
通过简单的MATLAB代码编写，我们可以得到在不同温度下金属的发射电流，结果如图1所示。把发射电流和温度代入公式（1），即可通过求直线的斜率得到电子的逸出功。其MATLAB代码编写与上述代码类似，函数关系拟合结果如图2所示，回归直线为y=-2.2727*x+1.8451。于是可以得到电子逸出功，与钨的电子逸出功公认值比较接近。
三、结论
利用MATLAB软件强大的计算和作图功能，处理了电子逸出功的实验数据。通过简单的代码编写，可以得到实验结果和绘制美观的图形。笔者在指导本实验时，把学生分为三组（每组10人）对实验结果分别用绘图法、最小二乘法和MATLAB软件辅助法进行处理。结果表明，用传统绘图法所得结果较后两种在分析的准确性方面有明显的不足。即使同一组数据，不同的同学用坐标描点绘图得到的结果也不同，具有随意性。用最小二乘法所得结果与MATLAB软件分析基本相同，但是计算工作量较大。用MATLAB软件编写数据处理代码，只需把测量原始数据导入，即可得到实验结果，且分析的准确度高避免了传统绘图时的人为随意性。经比较，利用MATLAB软件数据处理的实验组实验报告完成较快，数据分析准确度更高。
把MATLAB引入物理实验中，使同学们认识到利用软件进行数据处理的重要性。通过简单的实验数据处理，这样既提高了学生学习的积极性又可以让学生把物理实验与计算机技术结合起来。培养了学生分析问题、动手解决问题的能力，为学生在以后做毕业论文、毕业设计以及以后的研究工作中打下基础。
参考文献：
[1]缪兴中.大学物理实验教程[M].北京:科学出版社,2006.
[2]薛定宇,陈阳泉.高等应用数学问题的Matlab求解(第二版)[M].北京:清华大学出版社,2008.
[3]郑阿奇,曹弋,赵阳.Matlab实用教程[M].北京:电子工业出版社,
2004.
（责任编辑：刘丽娜）