Minitab軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

譚穗妍　徐初東

摘 要 本文介紹了Minitab軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，并以“測量亥姆霍茲線圈的磁場”和“溫差電動(dòng)勢的測量”為例，給出了Minitab數(shù)據(jù)處理的步驟。

關(guān)鍵詞 Minitab 數(shù)據(jù)處理 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：O4-33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.06.017

Application of Minitab Software in College Physics

Experiment Data Processing

TAN Suiyan， XU Chudong

（College of Electronic Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642）

Abstract This article describes the Minitab software in Physics Experiment Data Processing universities， and to "measure the Helmholtz coil magnetic field" and "thermoelectric measurements" for example， gives a step Minitab data processing.

Key words Minitab; data processing; college physical experiment

0 前言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程一般包括三個(gè)主要環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理。①其中數(shù)據(jù)處理一般都比較繁瑣，且機(jī)械化，學(xué)生面對大量的數(shù)據(jù)會(huì)容易感到煩瑣和枯燥;而且數(shù)據(jù)處理常會(huì)涉及到作二維圖形，有些實(shí)驗(yàn)要求通過圖解法求直線斜率，有些實(shí)驗(yàn)要求通過作圖觀察幾個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，傳統(tǒng)的手工計(jì)算和畫圖往往存在不足之處：一是作圖誤差大;二是手工作圖看上去欠缺美觀和科學(xué)性。針對這些不足，用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差小，使用方便快捷，能激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，實(shí)驗(yàn)報(bào)告看起來簡潔、明了、具有科學(xué)性。本文介紹統(tǒng)計(jì)分析軟件Minitab15在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，并以“測量亥姆霍茲線圈的磁場”和“溫差電動(dòng)勢的測量”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為例子。

Minitab15是數(shù)據(jù)分析軟件Minitab的最新版本和首款中文版，它提供用來分析數(shù)據(jù)的工具和改進(jìn)流程的有用信息，且具備以下特征：（1）與人們學(xué)習(xí)和工作方式相適應(yīng)的邏輯界面。（2）功能強(qiáng)大，包含完整的數(shù)據(jù)管理功能、強(qiáng)大的文件導(dǎo)入和導(dǎo)出、數(shù)據(jù)操作和電子表格式的數(shù)據(jù)窗口。 （3）配備詳盡的文檔，例如幫助解釋輸出結(jié)果的“會(huì)話”對話框 ，以及 500 多個(gè)圖文并茂的術(shù)語。

1 Minitab15在“測量亥姆霍茲線圈的磁場”中的應(yīng)用

測量亥姆霍茲線圈的磁場實(shí)驗(yàn)是定性地觀察通電線圈中心軸線上的磁場分布，測量的表格較多，每個(gè)表格記錄的數(shù)據(jù)也很多，一般的數(shù)據(jù)處理是作出中心軸線位置與磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的關(guān)系曲線，如果用Minitab15軟件處理，過程簡便，圖線簡單明了、整潔且具科學(xué)性。

將半徑為10cm，相距為10cm的兩個(gè)完全相同的線圈A、B對稱放在刻有1cm€？cm方格的大理石平臺上，此為亥姆霍茲線圈。對線圈通以100mA的電流，用集成霍爾傳感器分別測量對單線圈A單獨(dú)通電、單線圈B單獨(dú)通電和A、B線圈串聯(lián)后通電的亥姆霍茲線圈中心軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，數(shù)據(jù)如表1。

圖1 亥姆霍茲線圈中心軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布圖

利用Minitab15處理數(shù)據(jù)的具體步驟如下：（1）啟動(dòng)Minitab15，把表1中 “位置”、“單線圈磁場BA”、“單線圈磁場BB”、“亥姆霍茲線圈磁場B” 四行的數(shù)據(jù)分別填入Minitab15工作表區(qū)域的“C1”、“C2”、“C3”、“C5”列。（2）對“C4”列進(jìn)行公式設(shè)定，首先選中C4列，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇“公式”和“對列設(shè)置公式”選項(xiàng)，在彈出的對話框中填入公式C2+C3，按確定，則C4列會(huì)自動(dòng)填充數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)填入表1中相應(yīng)的位置，可省卻大量繁瑣的計(jì)算過程。（3）點(diǎn)擊工具欄上的“圖形”選項(xiàng)，在下拉列表框中選擇散點(diǎn)圖，選擇“簡單”類型，在散點(diǎn)圖對話框中設(shè)置變量和變量，變量選擇“C1位置”，變量選擇“C2單線圈磁場BA”、“C3線圈磁場BB”、“C4 BA+BB”、“C5 B”、并且選擇“重疊在同一圖形”選項(xiàng)，按確定，即可出現(xiàn)亥姆霍茲線圈中心軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布圖，如圖1。

2 Minitab15在“溫差電動(dòng)勢的測量”中的應(yīng)用

兩種不同金屬組成一閉合回路時(shí)，若兩個(gè)接點(diǎn)A、B處于不同溫度和，則在兩接點(diǎn)A、B間產(chǎn)生電動(dòng)勢，稱為溫差電動(dòng)勢。溫差電動(dòng)勢的大小與熱電偶常數(shù)和兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差有關(guān)，電動(dòng)勢與溫度差的關(guān)系復(fù)雜，當(dāng)溫度差不大時(shí)，取其一級近似可表示為： = *（），式中，為熱電偶常數(shù)。②在溫差電動(dòng)勢的測量實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)處理一般要求作出溫差電動(dòng)勢與溫度差的關(guān)系圖，并求出熱電偶常數(shù)。學(xué)生利用最小二乘法或作圖法求熱電偶系數(shù)計(jì)算過程繁雜、誤差大，若利用Minitab統(tǒng)計(jì)分析軟件中線性擬合線圖的功能，能簡便科學(xué)地得出溫差電動(dòng)勢與溫度差的線性關(guān)系圖，并得出線性系數(shù)即熱電偶常數(shù)。

將熱電偶一個(gè)接觸點(diǎn)放在冷水中，并用溫度計(jì)測出其冷水溫度 = 25℃，另一個(gè)接觸點(diǎn)放在水浴鍋中，從67℃開始，水浴鍋每升高4℃測量一次溫差電動(dòng)勢，直至95℃;再從95℃開始，水浴鍋每降低4℃測量一次溫差電動(dòng)勢，直至67℃，數(shù)據(jù)如表2。

數(shù)據(jù)處理的步驟：（1）啟動(dòng)Minitab15，把表2中 “熱端溫度t/℃”、“升溫電動(dòng)勢 /mv”、“降溫電動(dòng)勢 /mv”三行的數(shù)據(jù)分別填入Minitab工作表區(qū)域的“C1”、“C3”、“C4”列。（2）同理對“C2”、“C5”列進(jìn)行公式設(shè)定以省卻手工的公式計(jì)算，分別選中“C2”、“C5”列，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇“公式”和“對列設(shè)置公式”選項(xiàng)，在彈出的對話框中填入公式C1-25和（C3+C4）/2，按確定，則C2、C5列會(huì)自動(dòng)填充數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)填入表2中相應(yīng)的位置。（3）點(diǎn)擊工具欄上的“統(tǒng)計(jì)”選項(xiàng)，在下拉列表框中選擇“回歸”，并在子菜單下選擇“擬合線圖”，在“擬合線圖”對話框中設(shè)置變量和變量，其中“響應(yīng)Y”選擇“C5”列，“預(yù)測變量X”選擇“C2”列，回歸模型類型選擇“線性”，最后按確定，即可產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢和溫差的擬合線圖。擬合線圖中直接給出溫差電動(dòng)勢與溫差的關(guān)系式， = 0.2354+0.06771△，其系數(shù)0.06771即為熱電偶常數(shù)。

3 結(jié)束語

本文主要結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“測量亥姆霍茲線圈的磁場”和“溫差電動(dòng)勢的測量”，介紹了運(yùn)用Minitab進(jìn)行具體數(shù)據(jù)處理和分析的過程，通過對實(shí)例分析可以看出，Minitab在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中有強(qiáng)大的功能，且界面易懂，適合學(xué)生在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中使用，并能提高學(xué)生計(jì)算機(jī)的綜合應(yīng)用能力。

注釋

① 習(xí)崗，楊初平.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].中國農(nóng)業(yè)出版社，2006：2-3.

② 習(xí)崗，楊初平.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].中國農(nóng)業(yè)出版社，2006：110-111.