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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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