Origin8.0软件在大学物理实验中的应用

摘要:该文通过弗兰克-赫兹实验和牛顿环实验介绍了Origin8.0软件在大学物理实验数据作图和分析中的应用。

关键词:Origin8.0;大学物理实验;数据分析

中图分类号:G642文献标识码:A文章编号: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

大学物理实验是高校培养学生综合应用能力的重要基础课程,是大学生从事实践和科研工作的向导,在培养学生的创新能力、实践能力和研究能力上起到重要的作用。实验数据的处理和数据作图是大学物理实验中的一个重要环节。部分实验的数据繁多,处理复杂,手工绘图误差较大,同样的实验数据由不同实验者处理,其结果可能大相径庭。由于大量的数据和繁杂的数学运算,可能会使学生纠缠于数据的计算而忽视了实验本身的物理意义,甚至丧失了对实验的兴趣。

引入计算机软件来处理大学物理实验数据有助于实验教学的改进。一方面,使用计算机可以提高实验数据处理的精度,使相同的数据能得到相同的实验结果;另一方面,避免了复杂费时的数据计算过程,使学生将主要精力放在实验的操作和对实验物理意义的理解上。

美国Origin Lab公司开发的软件Origin8.0是国际科技出版界公认的标准作图软件,科研工作者们可以以图形的形式跨越语言和专业的障碍,实现科研成果的有效交流。另外,Origin8.0功能强大但操作简便,既适合一般的作图需求,也能满足复杂的数据分析、图形处理、函数拟合、信号处理等高级功能,较好地平衡了功能和操作复杂性的矛盾,因此有着非常广泛的应用。下面以弗兰克-赫兹实验与牛顿环实验为例来介绍Origin8.0在实验作图和数据分析中的应用。

2 科技作图

弗兰克-赫兹实验是重要的近代物理实验,通过测定氩原子的第一激发电势,证明原子能级的存在。本实验使用成都世纪中科有限公司生产的测量仪器,数据来自学生的实验报告,该实验数据量较大(表1),若采用手工绘图十分费事,且计算准确率很难达到理想的结果。

使用Origin软件处理数据和绘图能得到理想的结果。进入Origin8.0后,在worksheet中以电压UGK2为横坐标,电流IA为纵坐标分别输入实验数据。录入数据后,选择需要绘图的所有数据,在菜单栏plot中选择合适的线型绘图。本文选择普通直线作图,选择plotlineline,即可绘出实验数据图形。对所得到的数据图还可以做进一步的修饰,双击“X Axis Title”或“Y Axis Title”,可输入坐标轴说明文字,将其修改为“UGK2/V”与“IA/10-10A”;双击坐标轴,同样可以对坐标轴和坐标轴上的数据做进一步具体的细化;单击Text Tool上的按钮T,然后在Graph单击鼠标即可进行文本编辑或添加图形说明,本例中在图形曲线峰值处标上u1,u2,u3,u4,u5表示峰值电压。最终可以得到经过修饰的数据图(图1)。

根据数据图可以读出图中5个峰值电压的数值,并求出相邻峰值电压的差值:

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发电势:U=13+12+12+11V=12V,与参考数据11.5V接近。

3 数据分析

线性拟合分析是数据分析中最简单最基本的一种分析方法,其主要目标是寻找数据增长的大致方向,以便排除某些误差数值,以及对未知数据作出预测。下面以牛顿环实验为例进行分析。

牛顿环实验是物理光学中等厚干涉的典型实验,在实际应用中通常用于测量透镜的曲率半径。本文使用Origin8.0软件对实验测量数据进行处理,计算及作图过程均由计算机完成,可以有效避免人为因素引入的误差,提高实验的精度,从而获得可靠的实验结果。表2是学生实验报告中的原始数据。

根据表中的实验数据可以求出第n级暗环的直径Dn,第m级暗环直径Dm,根据公式:,由已知实验数据即可求出透镜的曲率半径R。在线性拟合分析中,拟合函数为线性函数y=a+bx,因此将牛顿环实验中的Dm2-Dn2作为y轴数据,m-n作为x轴数据,运用Origin8.0软件作图(图2),然后再通过软件中的线性拟合菜单命令AnalysisFittingFit Linear进行线性拟合,其结果如图3所示。同时会生成一个名为LinearFit的工作表窗口,显示拟合出来的a与b的值等结果,进而可以求出凸透镜曲率半径为R=b/4λ。

4 总结

本文通过弗兰克-赫兹实验和牛顿环实验介绍了Origin8.0软件在科技作图和数据分析中的应用。结合计算机处理大学物理实验数据可以减少繁杂枯燥的计算,让学生将精力集中在实验的操作和实验原理的理解上,从而加深了对大学物理实验的掌握,学生的自我学习能力和综合素质也得到了提高,对于提高大学物理实验教学水平大有裨益。

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