大学物理实验数据处理系统
基于python的物理实验数据处理系统设计与实现
基于Python的物理实验数据处理系统物理实验是大学物理教学中不可或缺的环节，而现代化教学手段的不断提升也为教学带来了更多的可能。
基于Python的物理实验数据处理系统就是其中之一。
它是一种利用Python编写的数据处理软件，旨在帮助学生更加轻松地进行物理实验数据的处理与分析。
首先需要介绍的是该系统的主要功能。
该系统可以对实验数据进行快速的处理与分析，例如数据的图表展示、实验误差的计算、实验数据的归一化处理以及单位换算等。
此外，该系统还支持自定义数据处理算法的开发和引入，让学生通过编写Python代码实现更加复杂的数据分析操作。
这一点对于物理专业的学生来说尤其重要，因为实验数据处理的算法常常会和学科知识产生紧密关联。
那么，该系统的实现需要哪些技术手段呢？首先是Python语言本身，Python是一门非常灵活的语言，结构清晰、易于上手，非常适合用于数据处理方面。
此外，Python还有着诸多成熟的科学计算库，例如numpy、matplotlib等，方便开发者进行科学计算和数据可视化。
再次，在实验数据处理方面，该系统还需要具备前端界面开发技能、数据库应用技能等，才能全面的完成实验数据的处理和管理。
最后，该系统对于物理实验的教学，在很多方面都有着重要的指导意义。
首先，基于Python的数据处理系统可以更好地满足不同学生的学习需求，强化学生对理论知识和数据分析之间的联系。
此外，该系统更加注重学生的实践操作和编程能力的提升，促进学生对实验的深入理解。
最终从长远来看，基于Python的物理实验数据处理系统将有助于减轻实验室教师的负担，更好地提升物理实验教学的质量。
总之，基于Python的物理实验数据处理系统具有广泛的应用前景，同时也在不断地推进着物理实验教学的现代化转型。
我们相信随着技术的不断进步，这一系统定会获得更多行业内人士的青睐和支持。
大学物理实验数据处理系统的设计与实现
关 键 词 ： 理 实验 ； 据 处理 ； ＨＰ： ＱＬ 物 数 Ｐ Ｓ 中图 分 类 号 ： ＴＰ３ １ １ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ９ ３ ４ （０ ０３ — ７ ０ ０ １ ０ — ０ ４２ １ ）４ ９ ６ — ２
ｄ ｎ Ｙｕ ｎ ｎＮ ｏｍａ Ｕｎｖ ｒｉ ， ｎ ａ ５ ０ ２Ｃｈｎ ） ｏ ， ｎ ａ ｒ ｌ ｉｅｓｙＹｕ ｎ ｎ６ ０ ９ ， ｉａ ｔ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅｃ ｌ ｇ ｈ ｓ ｓ ｔ Ｐ ｏ ｅｓ ｇＳ ｓｅ ｉ ｄｖ ｌｐ ｄｂ ｓ ｇＰ ｙ ａ ｃｗｅ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｈ ＱＬ ｎ ｔ ｒ ａａ ａｅ ｓｒ ｃ ： ｈ ｏ ｅ ｅＰ ｙｉ ａ ｒｃ ｓｎ ｙｔｍ ｓ ｅ ｅｏ ｅ ｙ ｕｉ ＨＰ ｄ ｎ ｍｉ ｃ Ｄａ ｉ ｎ ｂ ｔｃ ｎ ｌｇ ｎｄｔｅＳ ｅｗｏ ｋｄ ｔｂ ｓ
秦 黄嵩 ， 昆 景良 ， 李 霖１
（． 西 民 族 大 学 物 理 与 电 子 工 程 学 院 ， 西 南 宁 ５ ０ ０ ２云南 师 范 大 学 信 息 学 院 ， １ 广 广 ３ ０ ６；． 云南 昆 明 ６ ０ ９ ） ５ ０ ２
摘要 ： Ｐ 以 ＨＰ动 态 网 页技 术 和 Ｓ ＱＬ 网络 数 据 库存 储 为平 台 ， 计 了 大 学物 理 实验 数 据 处理 系统 。该 系统 不仅 满足 了学 生对 处理 实 设
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｒｅ ｌ ａ ｏ ｆＴｈ ｔ ｏ ｅ ｓｎ ｙ ｔ ｍ ｏ ｌ ｇ ｈ ｓ ｓ ｏ ｅＤａ ａ Ｐｒ ｃ ｓ ｉ ｇ Ｓ ｓｅ ｆ ｒ Ｃｏ ｌ ｅ Ｐ ｙ ｉ ｘ ｅ ｉ ｎ ｓ ｚｉ ｅ ｃ
大学物理实验数据计算机检验、处理系统的研制
１２ 系统功 能框 架 ． 在“ 体思路 ”中提到 ， 户 分为 学生 和 教师 整 用 两 种身份 ， 但考虑 到整套 系统 的完整 性 ， 和后期 维 护管 理方便 ， 定 提供 “ 决 管理 员 ”身 份 ， 因此 系 统 功能 就划分 为三方 面 ： （）学 生方 面功能 — — 实 验数据处 理 。 １ （）教师 方面功 能 — — 实 验成绩管 理 。 ２ （）管理 员方 面 —— 系统维 护管理 。 ３
１３ 应 用设计 ．
运 用 ＡＳ Ｐ技术 实 现 Ｂ Ｓ模 式 ， ／ 再结 合 ＡＤｏ
技术访 问 Ｗｅ 数 据库 ， 图 １ ｂ 见 。 ＡＳ Ｐ中 的 ｒｓ ｏ ｓ 、ｅ ｕ ｓ 对象 可帮助实现 ｅｐ ｎ ｅ ｒｑ ｅ ｔ
服 务器 和 客 户 端 的 超 文 本 格 式 的数 据 交 流 ； 而 ｓｓｉｎ对象 可存储 单个 用户 信息 ， ｅｓ ｏ 实现 身份 认证 和访 问安全 。 Ｏ通 用访 问接 口可 以方 便访 问数 ＡＤ 据库， 再结 合 Ｓ ＱＬ语 言 就能对 ｗｅ ｂ数据库进行 读
＜ ｓｒ ｔ ａ ｇ ａ ｅ ｊｖ ｓｒ ｔ ｃｉ ｎ ｕ ｇ — ａ ａｃｉ ＞ ｐ ｌ ｐ
Ｉ ｔ ｘ ＾ｖ ｌ ｃｅ ｉ
图 １ 系统结构框图
Ｆ ｎ ｔ ｎｔｓ（ ｛／ 断是 否合格 ｕ ｃｉ ｅｔ） ／判 ｏ ｃｌ） ／ ａ（ ；／计算 函数
ｉ（ ｆ 计算 结果 合格 ） ｛ 允 许提 交数 据 ；
身份验证和区分权限 。 为此 ， 系统决定采用 Ｂ Ｓ ／ 模 式 、 ｂ访 问后 台数 据库 的实施 方案 。 ｗｅ 学生和 教师 只要 有一 台上 网的计算机 ， 配有浏 览器 ， ： 并 如 Ｉ Ｅ， 就可使 用此 系统 了。 我校 已经 配有校 园 网， 实验 室
大学物理实验数据处理系统的开发
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３ 本系统 的设计的难点是间接测量量的不确定 ． ３ 度的估算以及 图形 的绘制 ， 在本次设计 的版本中， 间接测量量不确定度的估算只能处理加减或者乘 除关 系的运算 ，对于其他形式的混合运算关系的
５ 爱 ２ ； ． ５
２２ １ 测 试 数 据 ．．
已知变 量 和 Ｙ的测 量值【 表 ２所 示 ： １ ］ 如
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五＝ ２ ． ８ ６ ０ ８ ｓ ０ ４ ４ ９ ２， 一 ８ ５ ４ ０ ０ ３， ．３ ０ ７
第 ３期
黄晓俊 ： 大学物理实验数据处理 系统 的开发
・５ ５・
２ １２ ．． 测 试 结 果
２２２ ．．
测 试 结 果
测 试结 果 如 图 ６所示 ． 由图可 知 截 距 、 准偏 标 差 、相关 系 数 的系统 计算 结果 与 测试 数 据 的标 准
结 果相 同．
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测 试 结 果 如 图 ５所 示 ．由 图 可 知 测 试 结 果 正
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大学物理实验—误差及数据处理
误差及数据处理物理实验离不开测量，数据测完后不进行处理，就难以判断实验效果，所以实验数据处理是物理实验非常重要的环节。
这节课我们学习误差及数据处理的知识。
数据处理及误差分析的内容很多，不可能在一两次学习中就完全掌握，因此希望大家首先对其基本内容做初步了解，然后在具体实验中通过实际运用加以掌握。
一、测量与误差1. 测量概念：将待测量与被选作为标准单位的物理量进行比较，其倍数即为物理量的测量值。
测量值：数值+单位。
分类：按方法可分为直接测量和间接测量；按条件可分为等精度测量和非等精度测量。
直接测量：可以用量具或仪表直接读出测量值的测量，如测量长度、时间等。
间接测量：利用直接测量的物理量与待测量之间的已知函数关系，通过计算而得到待测量的结果。
例如，要测量长方体的体积，可先直接测出长方体的长、宽和高的值，然后通过计算得出长方体的体积。
等精度测量：是指在测量条件完全相同（即同一观察者、同一仪器、同一方法和同一环境）情况下的重复测量。
非等精度测量：在测量条件不同（如观察者不同、或仪器改变、或方法改变，或环境变化）的情况下对同一物理量的重复测量。
2.误差真值A：我们把待测物理量的客观真实数值称为真值。
一般来说，真值仅是一个理想的概念。
实际测量中，一般只能根据测量值确定测量的最佳值，通常取多次重复测量的平均值作为最佳值。
误差ε：测量值与真值之间的差异。
误差可用绝对误差表示，也可用相对误差表示。
绝对误差＝测量值－真值，反应了测量值偏离真值的大小和方向。
为了全面评价测量的优劣, 还需考虑被测量本身的大小。
绝对误差有时不能完全体现测量的优劣, 常用“相对误差”来表征测量优劣。
相对误差＝绝对误差/测量的最佳值×100%分类：误差产生的原因是多方面的，根据误差的来源和性质的不同，可将其分为系统误差和随机误差两类。
（1）系统误差在相同条件下，多次测量同一物理量时，误差的大小和符号保持恒定，或按规律变化，这类误差称为系统误差。
基于ASP的大学物理实验数据处理系统设计
和 管理 ，可 以对 实验 数 据 处 理 软 件 进 行 添 加 、 删 除 或修 改 。 ４ 系 统 设 计
４ １ 系统体 系结构设计 ．
系 统 采 用Ｂ Ｓ 网 络 体 系 ， 采 用 四 层 体 系 结 构 （ 图２ ／型 如 所 示 ） 即表 示 层 （ 览 器 ） 功 能 层 （ｅ Ｈ 务 器 ） 数据 库服 务 ， 浏 、 Ｗｂ￣ 、 层 和 数 据 处 理 服 务 层 。 服 务 器 操 作 系 统 为 Ｗｎｏｓ０３ ｉｄｗ ２ ０
命 令 均 在 服 务 器 端 运 行 ， 解 析 为 ＨＭ 文 件 后 再 送 给 浏 览 ＴＬ 器 。 因 此 ， 开 发 时 可 不 用 考 虑 浏 览 器 的 类 型 ， 同时 ，在 浏
理 采 用 Ｅ Ｃ Ｌ 前 台 采 用Ｊ ｖ ｓｒ ｐ ，后 台采 用 Ａ Ｐ 术 。 Ｘ Ｅ。 ａａｃｉｔ Ｓ技
中 ， 常 采 用 手 工 处 理 数 据 的方 法 ， 如 作 图 法 、列 表 法 等 ，
但 这 些 方 法 受 人 的主 观 性 影 响 较 大 ， 拟 合最 小二乘法于工计算量大 ，
易 出 错 。因 此 ，采 用 计 算 机 进 行 数 据 处 理 显 得 非 常 必 要 。 而 且 ， 笔 者 在 教 学 中 发 现 了 以下 几 个 问题 ： （ ） 学 生 进 ｉ
行数据处理 ，是在做完 实验 离开实验室之后完成 的，这 样
会 导致 数 据 不 能 及 时 得 到 处 理 ， 也 无 法 及 时 发 现 原 始 数 据
是否正确 ； （ ） 由于 学生数众 多 ，教 师无法靠 手工计算 ２
分析每个 学生的数 据处理过 程的正 确与否 ； （ ）许多数 ３ 据 处 理 软件 只 对 数 据 进 行 一 次 处 理 ， 不 注 重 存 储 ，不 便 于 后 期 的 综 合 分 析 和 统 计 ，而 且 多 数 软 件 是 基 于 单 机 的 ，没 有 与 网 络 结 合 ， 教 师 很 难 及 时 掌握 学 生 的 数 据 处 理 情 况 。 针 对 以上 问题 ，利 用 Ａ Ｐ ＥＣ Ｌ 结 合 数 据 库 技 术 ，笔 者 Ｓ和 ＸＥ ， 设 计 了 基 于 网 络 的大 学 物 理 实验 数 据 处 理 系 统 ，能 够 提 高 数 据 处 理 的 效 率 和 精 度 ， 实现 处 理 结 果 的 存 储 ，并 解 决 数
大学物理实验数据处理系统
大学物理实验数据处理系统牛原，肖霖，成正维(北京交通大学国家物理实验教学中心，北京,100044)摘要：本文用C#完成了“大学物理实验数据处理系统”软件的开发，该软件从大学物理实验数据处理的基本要求出发，包含：坏值的剔除、A类和B类不确定度的计算、实验结果的综合评定、曲线的拟合及显示。
该软件有助于学生处理物理实验数据，加深对实验的理解及教师对实验数据处理结果的评判。
关键词：误差理论，不确定度的表示，物理实验数据处理。
一、 引言：大学物理实验的任务对物理量进行定量的测量，找出各物理量之间的关系，对实验数据的分析处理是认识事物本质的关键，而误差分析与不确定度是实验数据分析中最重要的内容，是理工科学生学习科学方法、培养科学素养的重要环节之一。
在物理实验教学实践中，有关误差与不确定度是教学的一个难点，学生在处理实验数据、对测量结果的评价的过程中对“计算误差”、“合成误差”等的描述欠准确；另外，在对曲线的拟合以及线性关系数据的处理等方面常出现作图不规范、拟合出错误的曲线关系以及对非线性的物理量之间的关系处理不当等等。
当然，目前数据处理应用中还有许多数据处理软件，如ORIGIN，MATLAB等等。
这些商业软件功能虽然强大，但毕竟不是为大学物理实验量身定做，在使用上还是存在一定的局限性。
因此，从实际应用出发考虑，我们用C#完成了“大学物理实验数据处理系统”软件的开发，该软件完成了大学物理实验中对数据处理的基本要求：坏值的剔除、A类和B类不确定度的计算、实验结果的综合评定、曲线的拟合及显示。
该软件有助于学生正确处理物理实验数据，理顺误差理论中的相关概念，加深对实验的理解，同时方便教师对实验数据处理结果的评判。
该软件独立运行于常见的windows系统平台，软件中所有的处理结果包括绘图都可以保存并打印。
二、 大学物理实验数据处理系统介绍：软件采用C#在visual 2003的环境下编写，最终生成exe可执行文件。
大学物理实验测量不确定度与数据处理方法
精选ppt
4
二、测量误差与误差的分类 1、测量误差
误差 = 测量值 -真值
• 测量结果都存在误差，误差自 始至终存在于一切科学实验和 测量过程中。
精选ppt
5
2、误差的分类
• 系统误差：相同条件下多次测量 同一量，误差的大小和正负保持不 变。条件变化时按一定规律变化。
n＝9，查表得 P=0.68，tp = 1.07
UA tpuA=1.07×0.021＝0.022 mm
精选ppt
21
2、B类标准不确定度
基础物理实验中， 主要考虑仪器误差， 可用先验概率分布估算。
仪器的最大允许误差Δ仪 仪器误差的概率分布：可简化为均匀分布
测量值的B类标准不确定度：
uB
u仪kp
仪 C
主要来源 ：仪器误差
实验原理（方法）误差 个人误差与环境误差
精选ppt
6
已定系统误差 符号和绝对值已经
确定的系统误差
（可消除、修正或降低影响）
例：伏安法测电阻，电流表内阻带来的误差
原式
RV I
I
V
R
修正式
RV I
RI
未定系统误差 符号和绝对值未经
确定的系统误差
（可估计其误差限）
精选ppt
7
• 随机误差：相同条件下多次测量同一量时
以不可预知的方式变化的误差分量，总体服 从一定的 统计规律，可以用统计方法估算。
随机误差的估算
大多数实验测量中随机误差服从正态分布
对物理量X做n 次等精度测量，得到包含n个 测量值x1 ，x2 ， x3 …， xn的一个测量列
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大学物理实验数据处理系统
牛原，肖霖，成正维
(北京交通大学国家物理实验教学中心，北京,100044)
摘要：
本文用C#完成了“大学物理实验数据处理系统”软件的开发，该软件从大学物理实验数据处理的基本要求出发，包含：坏值的剔除、A类和B类不确定度的计算、实验结果的综合评定、曲线的拟合及显示。
该软件有助于学生处理物理实验数据，加深对实验的理解及教师对实验数据处理结果的评判。
关键词：误差理论，不确定度的表示，物理实验数据处理。
一、 引言：
大学物理实验的任务对物理量进行定量的测量，找出各物理量之间的关系，对实验数据的分析处理是认识事物本质的关键，而误差分析与不确定度是实验数据分析中最重要的内容，是理工科学生学习科学方法、培养科学素养的重要环节之一。
在物理实验教学实践中，有关误差与不确定度是教学的一个难点，学生在处理实验数据、对测量结果的评价的过程中对“计算误差”、“合成误差”等的描述欠准确；另外，在对曲线的拟合以及线性关系数据的处理等方面常出现作图不规范、拟合出错误的曲线关系以及对非线性的物理量之间的关系处理不当等等。
当然，目前数据处理应用中还有许多数据处理软件，如ORIGIN，MATLAB等等。
这些商业软件功能虽然强大，但毕竟不是为大学物理实验量身定做，在使用上还是存在一定的局限性。
因此，从实际应用出发考虑，我们用C#完成了“大学物理实验数据处理系统”软件的开发，该软件完成了大学物理实验中对数据处理的基本要求：坏值的剔除、A类和B类不确定度的计算、实验结果的综合评定、曲线的拟合及显示。
该软件有助于学生正确处理物理实验数据，理顺误差理论中的相关概念，加深对实验的理解，同时方便教师对实验数据处理结果的评判。
该软件独立运行于常见的windows系统平台，软件中所有的处理结果包括绘图都可以保存并打印。
二、 大学物理实验数据处理系统介绍：
软件采用C#在visual 2003的环境下编写，最终生成exe可执行文件。
软件的运行需要windows操作系统的组件NET Framework的支持，因此用户需要在计算机上运行 Framework 1.1.exe(或更高版本)为操作系统安装.NET Framework组件，从而为Web和Microsoft Windows客户端应用软件提供最佳的运行库环境。
可执行文件Data
图1 软件运行界面
Processing System.exe 总共344K，运行时占
用内存约16M。
软件运行界面如图1所示。
软件在运行中，每一次计算执行结束后都
会在文本框输出结果，用户可以在“文件”菜
单中根据自己的需要有选择地进行保存，如图
2所示，所形成的rtf 文档可以用office 的word
字处理软件进行编辑或打印，如图3所示。
对
于绘制的图形，在软件中可以选择bmp 或jpg 两类格式进行保
存。
该软件的操作简单：在输入框填入数据后回车即可输入，也
可以通过“添加”按钮或“删除”按钮把数据填入列表框或进行
数据的删除；也可以使用“清空”按钮一次全部删除；对于输入
时漏掉的数据可以在列表框中的右键菜单里点击“插入”来把数
据插入到理想位置。
在选项菜单中，用户可以选择需要拟合的函数类型，包括直线类型、曲线改直类型和多项式类型，如图5所示。
图2 文件菜单图
图5曲线改直拟合的输入界面
图3 实验结果保存后可以用word 编辑打印 图4选项菜单
对于不确定度的估计，按照公式：()u x ==可以直接用该软件进行处理，结果的有效数字位数在word 里进行修改。
例如：《大学物理实验》p18 （成正维主编）。
直接测量量的处理结果如图6。
对于间接测量量的处理，《大学物理实验》p20 （成正维
主编），在软件中相应输入框中输入以上直径数据，并键入仪
器误差限：0.004，输入高度数据，并键入仪器误差限：0.02，
将两次计算结果添加到间接测量量的不确定度计
算中，注意长度单位从mm 到cm 的转换，并补充
质量数据，结果如图7。
结果的有效数字位数在word 里进行修改。
图6直接测量量的不确定度计算的输入和输出界面
图7. 间接测量量的不确定度计算的输入和输出界面三、 结束语：
本文针对大学物理实验中有关误差及不确定度的教学难点进行尝试性的处理，软件的开发有助于理顺学生学生对数据处理的思路，加深对实验的理解，同时有助于教师对实验结果的评判。
参考文献：
（1） 对实验误差与不确定度教学内容的新思考，朱鹤年，物理实验， 2003,23(1).21-25
（2） 基础物理实验教程－物理测量的数据处理与实验设计，朱鹤年，高等教育出版社，
2003年。
（3） 大学物理实验，成正维，高等教育出版社，2000年。
（4） 李满潮．C#编程语言详解．电子工业出版社，2002年。
（5） 李兰友．Visual C# 图形程序设计实例．国防工业出版社，2003。
（6） 王兵团，桂文豪．数学实验基础．北方交通大学出版社，2003。