Origin軟件在近代物理實驗教學中的應用探討

劉慧++邊健++豐遠++徐琳

摘 要：對Origin軟件在“光電效應測普朗克常數”以及“音頻信號的光纖傳輸技術”實驗數據處理中的運用進行了分析比較，有助于發揮其在近代物理實驗課程中的促進作用。Origin軟件形象化的圖形及強大的數據擬合功能為近代物理實驗的理論分析與實驗教學提供便利，可以引導學生開展探究性學習，加深對物理規律及內涵的理解，從而提高教學質量。

關鍵詞：Origin軟件 近代物理實驗 數據處理

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（c）-0216-04

Origin為美國OriginLab公司出品的較流行的專業函數繪圖軟件，是公認的簡單易學、操作靈活、功能強大的軟件。當前流行的圖形可視化和數據分析軟件有Matlab、Mathmatica和Maple等。這些軟件功能強大，可滿足科技工作中的許多需要，但使用這些軟件需要一定的計算機編程知識和矩陣知識，并熟悉其中大量的函數和命令。而使用Origin就像使用Excel和Word那樣簡單，只需點擊鼠標，選擇菜單命令就可以完成大部分工作，獲得滿意的結果。Origin具有兩大主要功能：數據分析和繪圖。準備好數據后，進行數據分析時，只需選擇所要分析的數據，然后再選擇相應的菜單命令即可[1]。

Origin軟件已被廣泛用于大學物理實驗數據的處理與分析中。例如，對實驗數據進行峰值分析、曲線擬合、數據比較等[2-5]。計算機軟件處理物理實驗數據有助于實驗教學的改進。軟件的運用能提高實驗數據處理的精度；將學生從復雜費時的數據計算及圖表描述中解放出來，從而能將更多的精力放在對實驗操作的研究、實驗現象的探索以及物理內涵的理解上。在學生已經掌握基本的手工物理實驗數據處理的基礎上，考慮近代物理實驗的課程特色與教學目標，專業實驗數據處理軟件在其中的運用對于教學效果的提升就顯得更為必要[6]。本文實例描述Origin 8.6軟件在近代物理實驗“光電效應測普朗克常數、音頻信號的光纖傳輸技術”中的典型運用。

1 光電效應實驗-普朗克常量的測定

1.1 實驗原理

用合適頻率的光照射到金屬表面上，有電子從表面逸出的現象稱為光電效應[7-8]。實驗中將光電管兩極A和K間加上反向電壓UKA，它對光電子運動起減速作用。當反向電壓UKA等于U0時，光電流降為零，此電壓U0稱為截止電壓，此時光電子的初動能全部用于克服反向電場的作用，即：

（1）

根據愛因斯坦光電方程：

（2）

其中逸出功，ν0為截止頻率。上面兩式結合可以得到：

（3）

選擇不同頻率的入射光，測量不同頻率下的截止電壓，做出曲線。由直線的斜率可以求出普朗克常數。

1.2 實驗數據測量

本實驗所用的儀器是ZHY-GD-4型智能光電效應（普朗克常數）實驗儀。測量截止電壓U0時，“伏安特性曲線/截止電壓測試”狀態鍵應為截止電壓測試。手動測量時，使“手動/自動”模式鍵處于手動模式，將直徑為4mm的光闌及365.0nm的濾色片裝在光電管暗箱光輸入口上，從低到高按步長為0.01V調節電壓（從-2～0V），尋找電流為零時對應的UKA，以其絕對值作為該波長對應的U0。依次換上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的濾光片，重復測量以上步驟。再將“手動/自動”模式鍵處于自動模式，再測量相應的截止電壓。得到的數據如表1所示。

1.3 Origin軟件處理實驗數據

打開Origin軟件，點擊菜單命令：[File]→[New] →[Project]，新建一個項目，程序會自動新建一個Book1，把νi數據輸入到A（X）列，把U0i數據輸入到B（Y）列中。全部選定工作表數據，點擊菜單命令：[Plot]→[Symbol]→[Scatter]，創建Graph1，即為光電效應的U0i-νi散點圖。選擇菜單命令：[Analysis]→[Fitting]→[Linear Fit]進行散點的線性擬合，如圖1（a）所示。擬合出斜率為k=h/e=3.9718×10-15J·s/C，再根據電子電量e=1.602×10-19C，這樣可以計算出普朗克常數h=6.363×10-34J·s。根據普朗克常數的公認值h0=6.626×10-34J·s，計算出實驗的相對誤差為3.969%。圖1（b）按照同樣的方法擬合出自動測量的斜率k=3.967×10-15J·s/C，計算出普朗克常數h=6.355×10-34 J·s，計算出實驗的相對誤差為4.090%。可以看出手動測量的數據更為精確一些。Origin軟件依照最小二乘法求算擬合直線斜率和截距，可以避免傳統手工計算或作圖法的費時費力，操作簡便卻具有更高的準確度。

2 音頻信號的光纖傳輸技術

2.1 實驗原理

一個音頻信號光強調制光纖傳輸系統主要包括光信號發送器、傳輸光纖和光信號接收器三部分[8]。

半導體發光二極管輸出的光功率與其驅動電流的關系稱LED的電光特性。使用LED時應先給它一個適當的偏置電流，其值等于這一特性曲線線性部分中點對應的電流值，而調制電流的峰—峰值應盡可能大地處于這一電光特性的線性范圍內。

光電二極管SPD的偏置電壓是指無光照時二極管兩端所承受的電壓，光電二極管的伏-安特性可用下式表示：

（4）

其中I0是無光照的反向飽和電流，V是電壓，q為電子電量，k為玻耳茲曼常數，T是PN結溫度，IL是無偏壓狀態下光照時的短路電流。

無偏短路狀態下，短路電流與入照光功率具有很好的線性關系，這一關系稱為光電二極管的光電特性，這一特性在I-P坐標系中的斜率：

（μA/μW） （5）endprint

定義為光電二極管的響應度，它是表征光電二極管光電轉換效率的重要參數。

2.2 實驗數據測量及Origin軟件處理實驗數據

本實驗采用YOF—C型音頻信號光纖傳輸技術實驗儀。首先測試了LED的電光特性，數據如表2所示。

打開Origin軟件，點擊菜單命令：[File]→[New]→ [Project]，新建一個項目，程序會自動新建一個Book1，把Id數據輸入到A（X）列，把P0數據輸入到B（Y）列中。全部選定工作表數據，點擊菜單命令：[Plot]→[Line+Symbol]，創建Graph1，即半導體發光二極管LED的電光特性曲線。點擊工具欄中的[Data Selector]按鈕選取曲線中的線性部分，選擇菜單命令：[Analysis]→[Fitting]→[Linear Fit]進行這部分數據的線性擬合，如圖2所示。從圖中可以看出，在Id為6～20mA范圍內曲線成較好的線性關系。這樣可以得到光功率P0均分的5個工作點對應的驅動電流值，如表3所示。

測量LED的工作電流為0，I1～I5時所對應的6種情況下的SPD的反向伏安特性曲線。所測得的數據如表4所示，用origin作圖得到的反向伏安特性曲線如圖3所示。從圖中可以看出，在反向偏壓工作狀態下，在外加電壓的很大的范圍內，光電流與入照光的光功率均具有很好的線性關系。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉換成電信號，因此SPD成為光電傳感器件。

再由無偏壓狀態下的電流值和工作點的光功率值數據，用origin軟件繪出SPD的光電特性曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，短路電流與入照光功率具有很好的線性關系，這一關系稱為光電二極管的光電特性，用軟件擬合出其斜率為0.29μA/μW，處于0.25～0.5μA/μW典型值范圍內。

實驗通過對LED-傳輸光纖組件的電光特性的測量，得出了在合適的偏置電流下，其具有線性。也驗證了硅光電二極管可以把傳輸光纖出射端輸出的光信號轉變成與成正比的光電流。

3 結語

本文探討了Origin 8.6軟件在對近代物理實驗“光電效應測普朗克常數”以及“音頻信號的光纖傳輸技術”數據分析中的實際運用。利用計算機專業軟件進行實驗數據處理、圖形繪制分析等，與手工作圖相比，具有信息量大、準確等優點，能夠大幅度提高工作效率，提高學生的學習積極性。更重要的是，計算機軟件繪圖及分析有助于具有一定物理基礎的理工類學生深入理解實驗內涵及機理，能著重培養學生的求知探索精神和科學素養。

參考文獻

[1] 葉衛平，方安平，于本方.Origin 7.0科技繪圖及數據分析[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2] 張衛山，楊善恒，魯應滌，等.基于Origin的弗蘭克-赫茲實驗數據分[J].赤峰學院學報：自然科學版，2012，28（9）： 6-7.

[3] 畢升，高國棉.基于Origin軟件的Franck-Hertz實驗數據處理[J].大學物理實驗，2014，27（2）：98-100.

[4] 金園園，盧成，李根全.Origin 8.0在普朗克常數測定實驗中的應用[J].物理與工程，2010，20（6）：31-34.

[5] 曹衛軍，賴康榮.基于Origin的波動光學實驗仿真[J].大學物理，2015，34（1）：49-52.

[6] 樂松.Origin軟件在近代物理實驗數據處理中的應用[J].大學物理實驗，2011，24（6）：78-81.

[7] 東南大學等七所工科院校編.物理學[M].5版.高等教育出版社，2006.

[8] 汪洪，趙青生，主編.大學物理實驗[M].北京：高等教育出版社2016.endprint