Origin8.0軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

摘要:該文通過(guò)弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)和牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)介紹了Origin8.0軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖和分析中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:Origin8.0;大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);數(shù)據(jù)分析

中圖分類(lèi)號(hào):G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)35-10037-02

Applications of Origin8.0 in the College Physics Experiment

WANG Jia-yu1，2， CHEN Yan3

(1.Zhenjiang Watercraft College， Zhenjiang 212000， China; 2.Nanjing University of Science Technology， NanJing 210094， China; 3.Jiangsu University， Zhenjiang 212003， China)

Abstract: Introduced Origin8.0 in the College physics experimental data mapping and analysis by Frank-Hertz experiment and Newton's ring experiment.

Key words: Origin8.0; college physics experiments; data analysis

1 背景

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高校培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的重要基礎(chǔ)課程，是大學(xué)生從事實(shí)踐和科研工作的向?qū)?，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和研究能力上起到重要的作用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)作圖是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。部分實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)繁多，處理復(fù)雜，手工繪圖誤差較大，同樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由不同實(shí)驗(yàn)者處理，其結(jié)果可能大相徑庭。由于大量的數(shù)據(jù)和繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可能會(huì)使學(xué)生糾纏于數(shù)據(jù)的計(jì)算而忽視了實(shí)驗(yàn)本身的物理意義，甚至喪失了對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。

引入計(jì)算機(jī)軟件來(lái)處理大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)。一方面，使用計(jì)算機(jī)可以提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的精度，使相同的數(shù)據(jù)能得到相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;另一方面，避免了復(fù)雜費(fèi)時(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程，使學(xué)生將主要精力放在實(shí)驗(yàn)的操作和對(duì)實(shí)驗(yàn)物理意義的理解上。

美國(guó)Origin Lab公司開(kāi)發(fā)的軟件Origin8.0是國(guó)際科技出版界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)作圖軟件，科研工作者們可以以圖形的形式跨越語(yǔ)言和專(zhuān)業(yè)的障礙，實(shí)現(xiàn)科研成果的有效交流。另外，Origin8.0功能強(qiáng)大但操作簡(jiǎn)便，既適合一般的作圖需求，也能滿(mǎn)足復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析、圖形處理、函數(shù)擬合、信號(hào)處理等高級(jí)功能，較好地平衡了功能和操作復(fù)雜性的矛盾，因此有著非常廣泛的應(yīng)用。下面以弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)與牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)為例來(lái)介紹Origin8.0在實(shí)驗(yàn)作圖和數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用。

2 科技作圖

弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)是重要的近代物理實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電勢(shì)，證明原子能級(jí)的存在。本實(shí)驗(yàn)使用成都世紀(jì)中科有限公司生產(chǎn)的測(cè)量?jī)x器，數(shù)據(jù)來(lái)自學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大(表1)，若采用手工繪圖十分費(fèi)事，且計(jì)算準(zhǔn)確率很難達(dá)到理想的結(jié)果。

使用Origin軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖能得到理想的結(jié)果。進(jìn)入Origin8.0后，在worksheet中以電壓UGK2為橫坐標(biāo)，電流IA為縱坐標(biāo)分別輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。錄入數(shù)據(jù)后，選擇需要繪圖的所有數(shù)據(jù)，在菜單欄plot中選擇合適的線(xiàn)型繪圖。本文選擇普通直線(xiàn)作圖，選擇plot→line→line，即可繪出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖形。對(duì)所得到的數(shù)據(jù)圖還可以做進(jìn)一步的修飾，雙擊“X Axis Title”或“Y Axis Title”，可輸入坐標(biāo)軸說(shuō)明文字，將其修改為“UGK2/V”與“IA/10-10A”;雙擊坐標(biāo)軸，同樣可以對(duì)坐標(biāo)軸和坐標(biāo)軸上的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步具體的細(xì)化;單擊Text Tool上的按鈕T，然后在Graph單擊鼠標(biāo)即可進(jìn)行文本編輯或添加圖形說(shuō)明，本例中在圖形曲線(xiàn)峰值處標(biāo)上u1，u2，u3，u4，u5表示峰值電壓。最終可以得到經(jīng)過(guò)修飾的數(shù)據(jù)圖(圖1)。

根據(jù)數(shù)據(jù)圖可以讀出圖中5個(gè)峰值電壓的數(shù)值，并求出相鄰峰值電壓的差值:

U5-U4=79-66V=13VU4-U3=66-54V=12V

U3-U2=54-42V=12VU2-U1=42-31V=11V

求其平均值即可得出第一激發(fā)電勢(shì):U=13+12+12+11V=12V，與參考數(shù)據(jù)11.5V接近。

3 數(shù)據(jù)分析

線(xiàn)性擬合分析是數(shù)據(jù)分析中最簡(jiǎn)單最基本的一種分析方法，其主要目標(biāo)是尋找數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的大致方向，以便排除某些誤差數(shù)值，以及對(duì)未知數(shù)據(jù)作出預(yù)測(cè)。下面以牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行分析。

牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)是物理光學(xué)中等厚干涉的典型實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中通常用于測(cè)量透鏡的曲率半徑。本文使用Origin8.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算及作圖過(guò)程均由計(jì)算機(jī)完成，可以有效避免人為因素引入的誤差，提高實(shí)驗(yàn)的精度，從而獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表2是學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的原始數(shù)據(jù)。

根據(jù)表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以求出第n級(jí)暗環(huán)的直徑Dn，第m級(jí)暗環(huán)直徑Dm，根據(jù)公式:，由已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可求出透鏡的曲率半徑R。在線(xiàn)性擬合分析中，擬合函數(shù)為線(xiàn)性函數(shù)y=a+bx，因此將牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中的Dm2-Dn2作為y軸數(shù)據(jù)，m-n作為x軸數(shù)據(jù)，運(yùn)用Origin8.0軟件作圖(圖2)，然后再通過(guò)軟件中的線(xiàn)性擬合菜單命令A(yù)nalysis→Fitting→Fit Linear進(jìn)行線(xiàn)性擬合，其結(jié)果如圖3所示。同時(shí)會(huì)生成一個(gè)名為L(zhǎng)inearFit的工作表窗口，顯示擬合出來(lái)的a與b的值等結(jié)果，進(jìn)而可以求出凸透鏡曲率半徑為R=b/4λ。

4 總結(jié)

本文通過(guò)弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)和牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)介紹了Origin8.0軟件在科技作圖和數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用。結(jié)合計(jì)算機(jī)處理大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以減少繁雜枯燥的計(jì)算，讓學(xué)生將精力集中在實(shí)驗(yàn)的操作和實(shí)驗(yàn)原理的理解上，從而加深了對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的掌握，學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)也得到了提高，對(duì)于提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平大有裨益。

參考文獻(xiàn):

[1] 劉映棟.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].2版南京:東南大學(xué)出版社，2004.

[2] 肖信.Origin8.0實(shí)用教程-科技作圖與數(shù)據(jù)分析[M].北京:中國(guó)電力出版社，2008.

[3] 孔祥鯤，王嘉宇.巧用Excel處理普通物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[J].電腦知識(shí)與技術(shù):學(xué)術(shù)交流，2006(11):116-117.

[4] 吳肖，等.Origin 在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2008(68):32-34.

[5] 胡素梅，陳海波.基于Origin的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27(6):50-52.

[6] 田紅梅.物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的Origin處理[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，13(3):129-132.

[7] 金淑華，秦艷芬，賀梅英.Origin軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，20(2):4-7.