科研工具Origin9.0 在大學物理實驗中的應用

王娜，陳兵，劉春見，劉念

（安徽科技學院電氣與電子工程學院，蚌埠233000）

0 引言

大學物理實驗課是高等院校理、工、農(nóng)、醫(yī)等專業(yè)學生進入大學后較早學習到的一門必修基礎實驗課程，也是其接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端[1-2]。物理實驗課覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法、手段，已經(jīng)形成了一套完整的實驗教學體系，因此可以講物理實驗是培養(yǎng)學生科學實驗能力、提高科學素質(zhì)的重要手段，它在培養(yǎng)學生嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識、理論聯(lián)系實際和適應科技發(fā)展的綜合應用能力等方面的作用是其它實驗類課程不可替代[3-4]。我校地方應用型高水平本科高校，注重學生的實際操作水平的培養(yǎng)。以大學物理為例，農(nóng)學類專業(yè)如生物工程、食品工程、種子工程專業(yè)開始的大學物理B 理論學時有原來的54 學時現(xiàn)在增加到64 學時，相應實驗操作為18 學時；工科專業(yè)如計算機科學、環(huán)境科學、材料科學等實驗學時由原來的18 學時增致24學時。通過驗證性實驗，學生能明白或者加深對理論知識的認知，抽象的理論知識變得直接和形象。通過實驗課，學生能養(yǎng)成自主預習、實驗數(shù)據(jù)科學測量和實驗數(shù)據(jù)誤差分析的習慣，為將來專業(yè)知識和實踐打下堅實的基礎。為此，立足我校實際，目前大學物理實驗中心開始基礎實驗6 項，分別是密立根油滴實驗-電子電荷的測量、示波器的使用、電子在電場和磁場中運動規(guī)律的觀測、霍爾效應法測定螺線管軸向磁感應強度分布、用示波器觀測鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線、光的等厚干涉現(xiàn)象與應用-牛頓環(huán)的測定和偏振光的觀測和應用。綜合和近代物理實驗1 項，即光電效應法測定普朗克常數(shù)。Origin9.0 是一個功能強大的科學繪圖、數(shù)據(jù)分析軟件，支持在Microsoft Windows 下運行，是研究人員研究各種科學規(guī)律的完善的圖形和分析的常用軟件。目前，很多地方應用型高校的大學物理實驗課程，學生完成了做和測，往往忽略了非常重要的數(shù)據(jù)處理。學生一下課，課下沒有任何事可做，課堂上測量過程很快就會忘記。如果加上軟件處理數(shù)據(jù)的過程，這部分可以放在課后完成，學生對自己的測量數(shù)據(jù)是否滿足要求，能有個直觀感受，有一定的成就感。通過處理數(shù)據(jù)，學生能再次回顧整個實驗過程，也會對下次實驗充滿信心。實驗數(shù)據(jù)測量能力的培養(yǎng)基礎上，能提升學生的科學探索能力，為將來專業(yè)實驗的有序進行打下扎實的基礎。但是關于Origin9.0 在大學物理實驗中的應用卻鮮有報道。

1 Origin9.0在大學物理實驗中的應用實例

1.1 磁聚焦

圖1 螺旋運動示意圖

表1 磁聚焦測量數(shù)據(jù)

以U2為縱軸，以I2為橫軸，利用Origin9.0 可以擬合曲線而且可以求出線性系數(shù)，如圖2 所示。

圖2 磁聚焦擬合結果

擬合獲得的斜率是0.00329，在利用5.40268 除以該系數(shù)就可以獲得電子荷質(zhì)比1.642×1011C·Kg-1，理論值是1.758 C·Kg-1，相對誤差為6.6%。

1.2 霍爾效應法測定螺線管軸向B的分布規(guī)律

螺線管是常見的電工器件，對于密匝型螺線管，軸向居中很大部分是勻強磁場，理論上中心軸向磁感應強度大小為B0=μ0nIM其中μ0為常數(shù)，n 為螺線管線圈匝數(shù)密度，IM為勵磁電流。越往兩端磁感應強度B的大小越小，理論上兩端的B 值是中心值的一半?；魻栃欠浅Ｓ刑攸c的電磁感應現(xiàn)象，金屬塊體在左右方向通電流，如果上下方向有磁場的話，前后方向就可以產(chǎn)生新的電場。利用霍爾效應可以制備霍爾器件，最常見的是測速系統(tǒng)。在半導體材料特別是薄膜材料的制備中，利用霍爾效應可以檢測材料的電學性能。所以，本項大學物理實驗是最基本的也是非常重要的。實驗數(shù)據(jù)如表2 所示。

以x 為縱軸，以B 為橫軸，利用Origin9.0 可以擬合曲線而且可以直觀看出螺線管軸向B 的分布，如圖3 所示。

圖3 螺線管軸向磁感應強度分布曲線

1.3 馬呂斯定律

根據(jù)偏振性，光可以分為偏振光如線偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光，非偏振光如部分偏振光、自然光。線偏振光在傳播過程中振動面保持不變，生活中液晶顯示屏（電視、電腦、手機）發(fā)出的光線均屬于線偏振光。通過投射和反射均可以獲取線偏振光，常見的是通過偏振片獲取偏振光。例如立體電影的制作和觀看、攝像機、照相機的偏振片、偏光太陽鏡都是利用這個原理。偏正片化學成分是聚乙烯醇，有一個偏振化方向，當光的振動面平行偏振化方向時，光完全可以通過偏振片；當垂直偏振化方向時，光會被吸收掉；如果偏振面與振動面成一定夾角時呢？實驗證明滿足馬呂斯定律，I=IOcos2θ。實驗測量數(shù)據(jù)如表3 所示。

表2 螺線管軸向磁感應強度實驗測量數(shù)據(jù)

表3 馬呂斯定律實驗測量數(shù)據(jù)

以Cos2Θ為橫軸，以I 為縱軸，利用Origin9.0 可以擬合曲線而且可以直觀看出線性關系的分布，進而驗證馬呂斯定律，如圖3 所示。學生利用軟件不僅可以獲取擬合曲線，對應斜率就是入射光強度，可以和實驗課堂上的硅光電池的度數(shù)直接對應，讓實驗變得直觀而且有深度，看到完美的線性關系，大大提升學習的興趣和對下一次實驗的向往。

圖4 馬呂斯定律

1.4 光電效應法測普朗克常數(shù)

光電效應是指一定頻率的光照射到金屬表面時會有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。光電效應最初由赫茲在研究電極時發(fā)現(xiàn)的，赫茲發(fā)現(xiàn)用紫光照射電極可以使周圍的空氣出現(xiàn)電離現(xiàn)象。他將該現(xiàn)象以論文的形式公布于眾，迅速得到了其他物理學家的重視。不到一年，物理學家進一步研究發(fā)現(xiàn)并指出該現(xiàn)象為光電效應。光照可以從金屬中打出電子。光電效應一直用經(jīng)典物理無法解釋，指導1905 年愛因斯坦在普朗克能量量子假設、玻爾氫原子假設等量子學術背景下，大膽提出光量子假設，并給出著名的光電效應方程Ek=hv-W0。當光電管兩端加反向偏執(zhí)電壓，光電流減小，當光電流減小到零時，所加的反向電壓稱為截止電壓，用U0表示。即eU0=Ek這時的反向電壓叫截止電壓。即eU0=hv-W0。利用這一現(xiàn)象，我們可以測量普朗克常數(shù)，同時驗證光電效應方程。

表4 U0-v 實驗測量值

以v 為橫軸，以U0 為縱軸，利用Origin9.0 可以擬合曲線而且可以直觀看出線性關系的分布，進而給出斜率h/e，通過計算得到的普朗克常數(shù)值為6.588×10-34，相對誤差僅為0.6%，擬合曲線如圖5 所示。在實際數(shù)據(jù)處理過程中，盡管教師提醒盡可能多取幾組實驗數(shù)據(jù)，計算斜率然后取平均值，但是大部分學生急于求成，只要誤差可以就草草了事，違背了科學精神。利用軟件，就可以克服這個困難。

圖5 擬合曲線

1.5 光電效應中的伏安特性曲線

當光電管兩端加正向偏置電壓，光電子在外電場作用下，加速運動，回路中的光電流增大，通過測量光電流隨正向偏置電壓的變化數(shù)據(jù)，如表5 所示，就可以描繪光電管的伏安特性曲線，如圖6 所示。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著正向偏置電壓增大，光電流先是明顯增大然后增速平緩。

表5 伏安特性實驗測量數(shù)據(jù)1

圖6 伏安特性曲線

2 結語

大學物理實驗不僅要求學生科學地測量數(shù)據(jù)，更要掌握處理數(shù)據(jù)的方法，而Origin9.0 是科學研究者常用的數(shù)據(jù)處理軟件。文中詳細介紹了利用Origin9.0 繪制磁聚焦、螺線管軸向磁感應強度、馬呂斯定律、普朗克常數(shù)和光電效應伏安特性的實驗數(shù)據(jù)的擬合結果的過程，極大增強學生的學習興趣。