Origin軟件在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：Origin軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及繪圖能力有助于學(xué)生在《大學(xué)物理實驗》中對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、擬合和圖像的繪制。以霍爾效應(yīng)法測電螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度實驗為例介紹Origin軟件的數(shù)據(jù)處理及擬合功能。結(jié)果表明，Origin軟件的應(yīng)用，有效的提升了學(xué)生的繪圖水平，降低了繪圖誤差，也為學(xué)生未來的學(xué)習(xí)和科研打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Origin; 大學(xué)物理實驗；霍爾效應(yīng)；數(shù)據(jù)擬合

中圖分類號;G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

The Application of Origin in College Physical Experiments

Liu Nian， Xuzhong Zuo， Enjie He， YanFu Qin， Banggui Guan

Department of Electrical and Electronic Engineering， Anhui Science and Technology University AnhuiBengbu 340302

Abstract：The powerful data processing and drawing capabilities of Origin software promoted students analyze， fit， and draw images of data in College Physics Experiments. Taking “the Measurement of axial magnetic induction intensity of solenoid by the Hall effect method” as an example， this paper shows the data processing and fitting functions of Origin software. The results indicate that the application of Origin software has effectively improved students' drawing skills， reduced drawing errors， and laid a solid foundation for their future learning and scientific research.

Keywords： Origin; the Hall effect; university physics experiments; data fitting

1 概述

理論和實驗是相輔相成的，大學(xué)物理實驗作為大學(xué)物理課程的重要組成部分，是理工類專業(yè)必修的一門實驗基礎(chǔ)課程。通過大學(xué)物理實驗教學(xué)，可以幫助學(xué)生更深入、具體地理解、掌握物理概念和物理規(guī)律，探討實驗的方法解決物理學(xué)問題[1]。學(xué)生在實驗儀器的使用和操作的過程中掌握基本的實驗技能，為后續(xù)的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

實驗數(shù)據(jù)的正確處理是實驗教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)。在深刻理解實驗原理的基礎(chǔ)上，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，從而進(jìn)一步加深對理論知識的認(rèn)識。實驗數(shù)據(jù)處理的過程更是邏輯分析的過程，學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度培養(yǎng)的過程。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，Excel、Origin、Matlab、Mathematica等數(shù)理處理或仿真軟件的普及從某種程度上也在“倒逼”大學(xué)物理實驗課程的改革。傳統(tǒng)的實驗課程中，學(xué)生將實驗數(shù)據(jù)手工計算后在坐標(biāo)紙上描點畫圖，所繪圖像往往較為粗糙，描點誤差大，也費時費力。Origin軟件自1991年由OriginLab公司推出以來，以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和簡單的操作過程深受廣大科研工作者追捧和喜愛[2-4]。利用Origin對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序、計算、統(tǒng)計、擬合、平滑等操作，簡化了冗繁的數(shù)據(jù)處理過程，且使圖像更為美觀。本文以霍爾效應(yīng)法測電螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度實驗為例介紹Origin軟件的數(shù)據(jù)處理及擬合功能。分析霍爾電壓、霍爾電流，霍爾電壓與勵磁電流及通電螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度與位置關(guān)系，得到擬合曲線，計算出通電螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小及相對誤差，以期為學(xué)生在做相關(guān)實驗的數(shù)據(jù)處理過程提供一些有益的參考。

2 實驗原理及方法

霍爾效應(yīng)[5]從本質(zhì)上講是運動的帶電離子在磁場中受洛倫茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。如圖1所示的半導(dǎo)體材料，假設(shè)在其X方向通有電流Is，Z方向通以磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則在Y方向上將會產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，形成附加的橫向電場——霍爾電場。分析半導(dǎo)體材料在場中的受力情況可知：

其中為霍爾電場，為載流子的平均漂移速度，為單位體積載流子濃度，為樣品厚度，為霍爾系數(shù)。對于成品的霍爾器件來講，和已知，令霍爾靈敏度則：

因此只要測出樣品的，代入（4）式，則可求出未知磁感應(yīng)強(qiáng)。

但是由于Ettingshausen效應(yīng)（UE）、Nernst效應(yīng)（UN）、Righi-Leduc效應(yīng)（URL）以及不等位電勢（U0）等副效應(yīng)[6-7]的存在，需要采用電流和磁場換向的對稱測量法消除副效應(yīng)影響，即在測量中規(guī)定電流和磁場正反方向后，分別測量下列四組不同方向的和組合的電壓，并求其平均值，則

對于一個有限長的載流長直螺線管，其內(nèi)腔中磁力線平行于軸線，僅在靠近兩端處才呈現(xiàn)明顯的不均勻性。因此通電螺線管的磁場強(qiáng)度在其中心點最大，在端點處呈現(xiàn)明顯的不均勻性。在其中心點處磁感應(yīng)強(qiáng)度為

3 采用Origin軟件處理、分析實驗數(shù)據(jù)

將實驗所記錄的霍爾器件的輸出特性數(shù)據(jù)輸入Origin軟件的工作表單，如表1，表2所示。以表1為例，從左到右前五列Is、U1、U2、U3、U4按照各列分別對應(yīng)A（X），B（Y），C（Y），D（Y），E（Y）各列數(shù)值，右鍵單擊F（Y）列，值得說明的是，在Origin中，Col（i）表示第i列的數(shù)值。選擇Set Column values選項，把該列數(shù)值設(shè)置為（Col（B）-Col（C）+Col（D）-Col（E））/4，則F（Y）列數(shù)值即為UH的值。同時選中A（X）和F（Y）列，選擇Plot→Symbol→Scatter，繪制實驗數(shù)據(jù)的散點圖，繪制完成后，選擇Analysis→Fitting→Linear fitting進(jìn)行線性擬合。圖2即為表1的測繪數(shù)據(jù)的擬合情況，圖3為擬合參數(shù)。由圖3可以得出擬合曲線的斜率及截距，擬合的直線表達(dá)式為。可以看出UH與Is成線性關(guān)系，截距0.00027非常小，可以忽略，這與公示（4）基本吻合，說明測量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。

實驗室所用霍爾器件KH已知為162.2mV/（mA·T），取Is=5.00mA，IM=500mA，將霍爾器件逐漸從螺線管一端（x=0）移到另一端（x=30cm），依次測量，數(shù)據(jù)如表2所示。數(shù)據(jù)輸入Origin軟件的工作表單，對于UH列數(shù)據(jù)，右鍵單機(jī)選擇F（Y）整列，選擇Set Column values選項，把該列數(shù)值設(shè)置為（Col（B）-Col（C）+Col（D）-Col（E））/4，則F（Y）列數(shù)值即為UH的值，G（Y）列同樣方法設(shè)置數(shù)值為Col（F）/176.2/5，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B值。同時選中A（X）和F（Y）列，選擇Plot-Symbol-Scatter，繪制實驗數(shù)據(jù)的散點圖，繪制完成后，選擇Plot → Line→Spline Connected，繪制好的圖形如圖3所示。

對上述實驗結(jié)果進(jìn)行分析，通電螺線管中心磁感應(yīng)強(qiáng)度為7.19T，由公式（4）可知，圖2直線的斜率即為KH*B，則KH=176.22，與理論值176.2接近，符合預(yù)期。實驗用通電螺線管長度為26cm，線圈總匝數(shù)為3000匝，則根據(jù)公式（10）通電螺線管的理論值為B0=7.25T，與計算所得結(jié)果比較求出相對誤差

4 結(jié)論

由上述兩個實驗數(shù)據(jù)處理過程及結(jié)果可以看出，Origin能夠根據(jù)所測結(jié)果快速計算物理參量，并繪制所需圖形，進(jìn)行線性擬合等操作，所繪圖形不僅美觀，而且誤差較小，不僅大大節(jié)省了計算時間，也減少了計算過程的失誤。有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和科研打下基礎(chǔ)。

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基金項目：安徽省教育廳質(zhì)量工程一般教研項目（2021jyxm0327）；安徽省教育廳質(zhì)量工程重點教研項目（2021jyxm0318）；安徽科技學(xué)院課程思政示范課堂（xj2021099）；安徽科技學(xué)院課程思政示范課堂（Xj2022113）；安徽科教學(xué)院線上線下混合式課程（Xj2023021）

作者簡介：劉念（1987— ），女，安徽省阜陽人，碩士研究生，講師，安徽省教壇新秀，主要從事光電與熱電器件的研究及物理及光電類課程教育研究。