Origin軟件在高中物理課題研究中的應用

黃澤璇 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

Origin軟件是美國Origin Lab公司開發的具有強大數據分析與科技繪圖功能的軟件，該軟件快速、靈活、易學，已廣泛應用于科研領域.目前已有相關的研究將Origin軟件引進中學物理實驗，如自由落體實驗[1]、測量電源電動勢及內阻[2]、功與速度變化的關系[3]等，學生在進行這類實驗前能根據先前理論知識的學習，對實驗結果進行預測，在此基礎上利用Origin軟件的直線擬合或多項式擬合功能分析實驗數據，有效利用了該軟件在圖像擬合上方便、快捷的特點.

課題研究是《普通高中課程方案》中研究性學習的重要組成部分[4]，與常規實驗不同的是，它研究的問題主要來源于生活實際，且變量之間的關系往往是未知的.而Origin軟件強大的自定義函數擬合功能及數據分析功能，可幫助學生在未知變量具體關系的前提下，快速尋求變量之間的函數關系并進一步挖掘相關信息，有效促進課題研究的開展.本文以“半導體薄膜壓力傳感器特性的實驗研究”課題為例，介紹Origin軟件在高中物理課題研究中的具體應用.

1 高中物理課題研究案例

“半導體薄膜壓力傳感器特性的實驗研究” 是人教版選擇性必修第二冊提供的研究案例，實驗目的為“了解半導體薄膜壓力傳感器在受到不同壓力作用時其電阻是如何變化的以及這種變化的規律，并了解該規律在生產生活中的應用”.實驗需用到RFP602型半導體薄膜壓力傳感器、鐵架臺、聚氨酯橡膠墊片、U型金屬框、鉤碼、數字多用電表等，裝置如圖1所示.通過改變傳感器下方鉤碼的數量來改變傳感器所受壓力的大小，數字多用電表的歐姆擋與傳感器的兩根引線相連直接測得不同壓力下傳感器的電阻值，以此來研究傳感器的電阻隨壓力變化的規律.

圖1 半導體薄膜壓力傳感器特性的實驗研究裝置圖

2 利用Origin軟件處理實驗數據

實驗獲得的數據如表1所示.教材采用的是一般的數據處理方法，即列表、描點、連線，并通過作切線的方法根據截距求得具體的斜率大小.采用手工繪圖的方法不僅操作繁雜、誤差大且無法通過圖像確定函數表達式來表示變量間的具體關系.

表1 半導體薄膜壓力傳感器在不同壓力下的電阻

利用Origin軟件可以很好地解決這一問題，以Origin2017中文版為例介紹其具體應用.

2.1 利用非線性曲線擬合功能繪制R-F圖像

打開Origin軟件，A(X)表示坐標軸的橫軸，B(Y)表示坐標軸的縱軸.分別填入橫坐標和縱坐標的名稱，注釋及F(x)項可不填.由于該實驗探究的是壓力傳感器的電阻隨壓力變化的規律，故令橫軸為壓力F，單位為N，縱軸為電阻值R，單位為kΩ，并將表1的實驗數據填入數據表中，如圖2所示.接著選中A(X)和B(Y)兩列，直接點擊頁面左下方的散點圖按鈕.出現散點圖后點擊菜單欄的“分析-擬合-非線性曲線擬合-打開對話框”，彈出的對話框如圖3所示，軟件提供了多個類別下的多種函數，可以逐一選擇Origin軟件提供的函數類型進行擬合，通過對比擬合結果(相關系數最大、殘差平方和最小)選出最佳的擬合曲線，也可根據散點圖的大致趨勢在具體的函數類型中進行選擇.在該實驗中，通過對比不同函數的擬合效果，得到R-F圖像如圖4所示.由圖4可知R與F滿足關系式

圖2 Origin軟件的壓力與電阻數據

圖3 自定義函數選擇

即R與F成指數型負相關關系，具體參數可見圖4中的擬合結果.

圖4 R-F圖像及函數關系

2.2 微分求導 繪制圖像

圖圖像

2.3 坐標讀取 基于證據得出結論

如圖6所示，當壓力為1 N時傳感器的靈敏度為28.35 kΩ/N,壓力為5 N時傳感器的靈敏度為1.32 kΩ/N，而教材通過手工作切線求得曲線在1 N和5 N處的斜率值分別為24 kΩ/N和1.9 kΩ/N，利用Origin有效提高了實驗結論的準確度.通過圖6所示不同壓力下傳感器靈敏度的對比，可發現當壓力小于1.5 N時，傳感器的靈敏度較高.于是我們可以基于數據得出結論：為了使傳感器工作比較靈敏，作用在傳感器上的壓力應小于1.5 N，因此在實際應用情境中可根據實際對壓力進行一定的放大或縮小，使作用在傳感器上的壓力小于1.5 N.

圖6 不同壓力下傳感器靈敏度的比較

3 將Origin軟件引進課題研究的價值探討

通過以上案例的分析，可發現利用Origin軟件輔助高中物理課題研究具有以下價值.

(1)拓寬學生研究的空間，培養科學研究的基本能力

課題研究與通常的學生實驗有很大的不同，其研究問題的解決需要學生經歷真正的探究過程.在未知變量間關系的前提下，利用列表、描點、連線等傳統方法處理數據不僅操作繁雜、誤差大，學生也難以根據圖像確定變量間的具體函數關系.而Origin軟件強大的自定義函數擬合和數據分析功能，有助于學生快速確定變量間的函數關系并可利用微分、積分、峰值分析等功能進一步挖掘相關信息，將學生從繁雜的數學分析中解放出來并拓寬研究的空間，提高了物理學習的有效性.此外，通過在課題研究中讓學生應用相關的數據分析軟件，可以鍛煉學生科學研究的基本方法與技能.

(2)養成證據意識，發展核心素養

科學處理、分析與評估實驗數據是培養學生證據意識的重要途徑，利用Origin軟件對課題研究中的實驗數據進行細致分析，有助于培養學生的證據意識并促進核心素養的發展，體現在：

1)通過函數擬合功能引導學生從物理學的視角認識事物的內在規律和相互關系，促進科學思維的發展；

2)利用不同的方法和手段分析和處理數據，使學生能描述與解釋探究結果和變化趨勢，并準確表述、評估探究過程和結果，增強學生的科學探究能力；

3)通過Origin軟件引導學生基于證據和邏輯發表自己的見解，養成嚴謹的科學研究態度并正確認識科學本質.