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基于云计算的大学物理实验数据在线处理
资料介绍
基于云计算平台,用Python及Flask设计了一个辅助钠原子光谱实验和弗兰克-赫兹实验数据处理的程序,可不受地域及设备的限制快速计算出钠原子光谱的量子缺及固定项、绘制弗兰克-赫兹实验曲线,实现了基于云平台的大学物理实验教学资源的功能拓展.
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第 卷第 期
Vol． 38 No． 4
Apr． 2019
大 学 物 理
COLLEGE PHYSICS
2019
4
年 月
櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍
殻
基础物理教学现代化问题
殻
櫍 櫍 櫍 櫍 櫍 櫍 櫍 櫍 櫍 櫍 櫍 櫍
基于云计算的大学物理实验数据在线处理
，
林奇川 程敏熙
(
，
华南师范大学 物理与电信工程学院 广东 广州
510006)
:
，
Python
Flask
－
，
摘要 基于云计算平台 用
及
设计了一个辅助钠原子光谱实验和弗兰克 赫兹实验数据处理的程序 可不受
、
－
，
地域及设备的限制快速计算出钠原子光谱的量子缺及固定项 绘制弗兰克 赫兹实验曲线 实现了基于云平台的大学物理实
．
验教学资源的功能拓展
:
;
; Python; Flask
关键词 云计算 数据处理
:O 4 － 39
:A
:1000-0712( 2019) 04-0028-05
文章编号
中图分类号
文献标识码
【DOI】10． 16854 /j． cnki． 1000-0712． 180452
，
在高等教育信息化的浪潮中 由于低硬件成本
、
．
第三方类库支持应用的开发
［5］
、
按需服务 动态调配 安全方便的特点 云计算将成
［1］
．
为辅助大学物理实验教学的重要手段 采用云计
、
，
Flask
Python
Web
，
是
语言的一种
开发框架
jinja2，
具有轻
WSGI
，
模型规范 模板引擎使用
遵循
， ，
算技术 有利于践行低碳教育的理念 推动无纸化教
、
，
Web
．
应用开发 本文
量 可扩展的特性 适合轻量级
［2］
．
学 学生通过访问云端的程序进行实验数据处
Flask － WTF
的程序设计采用了
作为表单设计的第
，
、
，
理 能减少人力 物力的耗费 加快实验数据处理的
［3］
，
三方库 采用
Bokeh
．
作为绘图的第三方库
，
，
．
过程 优化实验教学条件 提高教学效率及质量
2
实验原理
－
钠原子光谱实验与弗兰克 赫兹实验是大学
“
”
，
近代物理实验 课程的重要实验 其数据处理计算
2． 1
钠原子量子缺及固定项计算
，
．
复杂 数据量大 本文为钠原子光谱实验设计了量子
，
在钠原子光谱实验中 先利用光谱仪将不同线
、 －
缺及固定项的在线计算功能 为弗兰克 赫兹实验
，
，
系各谱线的波长测定后 将波长换算成波数 则可得
到每一线系中相邻两谱线的波数差为［6］
，
设计了在线绘图功能 目的是拓展基于云平台的实
．
验类课程的数据处理与计算功能
R
R
槇
Δ ν
=
－
( 1)
2
2
( n －
)
( n + 1 －
)
Δ
Δ
l
l
1
实现条件
， n － = m + ，
，m
α 其中 为正
为了方便计算 令
Δ
l
，
，
整数 α 为正小数 则上式可写为
1． 1
阿里云服务器一台
R
R
，
根据实际需求 本研究向阿里云服务商购买了
槇
Δ ν
=
－
( 2)
2
2
( m + )
α
( m + 1 + )
α
1
一台 核
CPU、2 GB
、1 Mbps
，
带宽的云服务器
内存
槇
算出Δ ν后 可借助里德伯表直接查出 和 α
．
按月付费
，
m
，
1． 2 Python
Flask
语言及
框架
n － = m + ， n
Δ α 已知 值即可求出量子缺Δ
l
．
代入
l
Python
本文的编程语法采用
． Python
这一高级程序语
固定项的计算公式为
言［4］
动态的特点 代码编写简洁高效 实现同样的功能
Python 1 /5
语言是一种脚本语言 具有轻语法 弱
，
、
R
槇
ν
1
A
=
+
( 3)
n'l'
2
，
．
，
( n －
)
Δ
l
C
2． 2
－
弗兰克 赫兹实验
语言的代码行数可以缩减为 语言的
到
1 /10．
，
同时 作为一门开源语言
，Python
1
，
－
(
F － H
)
管
具有丰富的
如图 所示 在弗兰克 赫兹管 即
:2018 － 08 － 09;
:2018 － 11 － 01
收稿日期
修回日期
:
2017
;
2016
( GDJ2016055)
年度研究基金项目 资助
基金项目 华南师范大学
年教学改革项目 广东省高等教育学会实验室管理专业委员会
:
( 1995—) ， ，
，
2017
，
级硕士研究生 研究方向为课程与教学论
．
作者简介 林奇川
男 广东湛江人 华南师范大学物理与电信工程学院
:
，E － mail: chengmx@ scnu． edu． cn
通信作者 程敏熙
4
第 期
， :
林奇川 等 基于云计算的大学物理实验数据在线处理
29
中充以要测量的气体［7-9］ 电子由热阴极 发出 阴
，
K
，
、 、
算得出两谱线对应的波数大小 两者间的波数差 跃
G
，
K
、
n
、
极发射电流大小由栅极 控制 在热阴极 与栅极
1
迁能级 计算量子缺所需的 值 量子缺与固定项
G
A
G
，
之间加电场使电子加速 加速电压为
U
．
．
，
在板极
等 为了明确计算的原理 本界面还呈现了计算所用
2
G K
2
．
G
与栅极 之间加有拒斥电压
2
U
．
G
到的公式
当电子通过
G A
2
1
、
24
学生通过手机 平板及电脑均可 小时安全稳
，
，
空间后 仍由较大能量 就能冲拒斥电场到达板
2
，
，
定地访问该程序 可以保存提交到后台 以便教师检
A
I
．
极 形成电 流 如果电子与原子发生非完全弹性
A
，
，
查核对 或者学生将得到的处理结果截图 打印作为
，
，
，
碰撞 将部分能量传递给原子 使后者激发 就有可
．
实验报告的一部分 这样既摆脱了对实验室设备的
，I
．
能导致电子无法通过拒斥电场 就会显著降低 随
A
，
，
依赖 减少了学生实验数据处理的负担 让学生更加
U
，I
的不断增加 会出现一系列的峰
A
着加速电压
G K
2
．
关注在呈现出来的该实验结果
，
值与谷值 从而证明了原子能级的存在
．
:
以下是程序算法代码的部分代码
1)
:
．
第一部分 生成里德伯表
import pandas as pd
import numpy as np
import generate_Rydberg_form
R = 109737． 31
form = generate_Rydberg_form． generate_Rydberg( R)
form = np． array( form)
cols = ［ alpha ，1 ，12 ，2 ，23 ，3 ，34 ，4 ，45 ，
5 ，56 ，6 ，67 ，7 ，78 ，8 ，89 ，9 ，9 10 ，10 ］
# dataFrame
储存着里德伯表
dataFrame = pd． DataFrame( form，columns = cols)
pandas
numpy
此部分代码利用
的算法生成计算所需的里德伯表
2)
和
库以及设计
1
－
弗兰克 赫兹实验原理图
图
．
U 、
通过改变灯丝电压 拒斥电压
F
U
、
栅极电压
G K
2
:
、
第二部分 定义各种计算量子缺 固定项所
U
，
．
可获得不同条件下的弗兰克赫兹实验曲线
G K
1
．
用到的函数
def convert_to_wave_number( lamb) :
return round( pow( 10，7) /lamb，2)
3
程序编程与实验数据处理
3． 1
钠原子量子缺及固定项计算界与部分代码
2
，
:
如图 所示 本程序实现的功能为 在测定钠原
def find_which_col( delta) :
cols = ［ 12 ，23 ，34 ，45 ，56 ，67 ，78 ，
，
子各谱线波长后 分别输入同一线系中相邻两谱线
89 ］
for col in cols: #
，
的波长λ 与λ 点击按钮
Start，
程序会根据公式计
1
2
非边界情况
l = list( dataFrame［col］)
if delta ＞ l［－ 1］and delta ＜ l［0］:
return ［col］
i = 0
for col in cols: #
边界情况
l = dataFrame［col］． tolist( )
if l［0］ ＜ delta:
small = cols［i］
big = cols［i － 1］
return ［big，small］
i = i + 1
2
图
钠原子量子缺及固定项计算程序界面
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