热学实验【EXCEL在热学实验中的应用】

时间：2019-01-10 03:20:23　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：普通物理实验中的热学实验有许多复杂的作图法处理数据，既繁琐又得不到精确的结果。本文通过两个实例，说明利用EXCEL代替手工处理热学实验数据，能迅速准确地得到实验结果。
　　关键词： EXCEL 热学实验数据处理曲线拟合应用
　　
　　1.引言
　　在普通物理热学实验中，加热或者冷却过程受环境因素干扰，随机误差较大，完成实验的时间往往依赖于仪器本身，与学生实验操作熟练程度没有直接关系。传统实验数据处理采用作图法，过程虽不特别复杂，但是误差较大，精度不高。而采用最小二乘法处理数据，即使一元线性拟合，计算量也较大。而利用EXCEL电子表格进行热学实验数据处理，化繁为简，方便快捷，作图清晰，数据处理准确［１］－［５］。
　　2.PN结正向压降温度特性实验
　　利用TH-J型PN结正向压降温度特性测试仪测得实验起始温度t=30.2℃、起始正向压降）=602mV、工作电流IF=50μA；在EXCEL中输入PN结正向压降与温度关系数据，如表1所示（ΔV=0的温度即为实验起始温度，原始数据温度为摄氏温标，已采用EXCEL自动填充功能将其换算为开氏温标）。
　　实验结果要求得出正向压降随温度变化的灵敏度S，禁带宽度ΔE，并计算百分误差。在EXCEL中选定表1数据，单击菜单“插入”、选择“图表”，打开图表向导，在选项卡“标准类型”中选择“XY散点图”，根据提示完成作图。设置好X轴和Y轴格式，清除不必要的填充边框及网格线。在数据点上点击右键，选择“添加趋势线”，在趋势线“类型”选项卡中选择“线性”，“选项”选项卡中选定“显示公式”、“显示R平方值”。再对公式和R平方值的数字格式进行设置，采用科学计数法，精确到小数的后两位。最终结果如图1所示。
　　由图1可知，灵敏度S为2.05（mV/K），再计算禁带宽度截距=602+621=1223（mV）=1.223（V），百分误差为|1.223-1.21|/1.21*100%=1.2%。
　　3.不良导体热导率的测量
　　不良导体的热导率测量若使用稳态平板法，数据处理主要是求铝盘冷却速率，而传统方法冷却速率采用作图法过程繁琐，精度不高。如表2所示为一组铝盘冷却过程中温度与时间关系的数据。
　　由冷却数据可知：温度与时间并非线性关系，在较高温度时，冷却速率较高，在较低温度是冷却速率较低。相比PN结实验中的正向压降与温度的线性关系，冷却数据与时间的非线性关系曲线的绘制更加复杂。采用作图法，首先将冷却数据用光滑曲线连接，再过T做切线，然后在切线上取两点求其斜率。虽然冷却曲线并非直线，但非常接近直线，因此冷却曲线的切线非常难画，同样的数据不同的人作切线的区别很大，并且求切线斜率本身精度也不高。而采用EXCEL作图，操作简便，曲线拟合精度高。
　　按上文中PN结实验数据处理类似的方法将冷却数据在EXCEL进行处理，只是趋势线采用二次多项式拟合，之所以采用二次多项式拟合，是因为二次方程便于手工求解。结果如图2所示。由图2可知，R平方值近似为1，说明数据与拟合函数吻合度还是非常高。温度T与时间t函数关系为：T=4.61E-06t2-2.03E-02t+5.71E+01，由数学知识可知其切线方程为dT/dt=9.22E-06t-2.03E-02，另T=T=52.1，代入温度T与时间t函数关系得到一元二次方程4.61E-06t2-4.结语
　　在热学试验中利用EXCEL来作图和处理数据，不仅节约时间，而且准确清晰。当然只要掌握了EXCEL电子表格的使用方法，我们也可以运用它进行其他的实验数据处理。
　　
　　参考文献：
　　［1］陈玉林，丁留贯，张磊.Excel在大学物理实验数据处理中的应用［J］.实验室研究与探索，2007，10：63-65.
　　［2］郭悦韶.Excel在物理实验数据处理中的应用［J］.实验室科学，2006，2：67-68.
　　［3］谭毅，何军锋，姚军财.计算机在物理实验教学中的应用［J］.中国科技信息，2008，21:241-242.
　　［4］罗涛，于立军.EXCEL电子表格在光学实验中的应用［J］.长春师范学院学报（自然科学版），2005，3：33-34.
　　［5］滕坚，田红梅.借助于Excel对物理实验数据的线性回归分析［J］.大学物理实验，2007，12，ＶＯＬ20，（４）：76-78.
　　注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
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