科研工具Origin9.0 在大学物理实验中的应用

2020-07-07王娜陈兵刘春见刘念

现代计算机 2020年15期

王娜，陈兵，刘春见，刘念

（安徽科技学院电气与电子工程学院，蚌埠233000）

0 引言

大学物理实验课是高等院校理、工、农、医等专业学生进入大学后较早学习到的一门必修基础实验课程，也是其接受系统实验方法和实验技能训练的开端[1-2]。物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，已经形成了一套完整的实验教学体系，因此可以讲物理实验是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要手段，它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面的作用是其它实验类课程不可替代[3-4]。我校地方应用型高水平本科高校，注重学生的实际操作水平的培养。以大学物理为例，农学类专业如生物工程、食品工程、种子工程专业开始的大学物理B 理论学时有原来的54 学时现在增加到64 学时，相应实验操作为18 学时；工科专业如计算机科学、环境科学、材料科学等实验学时由原来的18 学时增致24学时。通过验证性实验，学生能明白或者加深对理论知识的认知，抽象的理论知识变得直接和形象。通过实验课，学生能养成自主预习、实验数据科学测量和实验数据误差分析的习惯，为将来专业知识和实践打下坚实的基础。为此，立足我校实际，目前大学物理实验中心开始基础实验6 项，分别是密立根油滴实验-电子电荷的测量、示波器的使用、电子在电场和磁场中运动规律的观测、霍尔效应法测定螺线管轴向磁感应强度分布、用示波器观测铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线、光的等厚干涉现象与应用-牛顿环的测定和偏振光的观测和应用。综合和近代物理实验1 项，即光电效应法测定普朗克常数。Origin9.0 是一个功能强大的科学绘图、数据分析软件，支持在Microsoft Windows 下运行，是研究人员研究各种科学规律的完善的图形和分析的常用软件。目前，很多地方应用型高校的大学物理实验课程，学生完成了做和测，往往忽略了非常重要的数据处理。学生一下课，课下没有任何事可做，课堂上测量过程很快就会忘记。如果加上软件处理数据的过程，这部分可以放在课后完成，学生对自己的测量数据是否满足要求，能有个直观感受，有一定的成就感。通过处理数据，学生能再次回顾整个实验过程，也会对下次实验充满信心。实验数据测量能力的培养基础上，能提升学生的科学探索能力，为将来专业实验的有序进行打下扎实的基础。但是关于Origin9.0 在大学物理实验中的应用却鲜有报道。

1 Origin9.0在大学物理实验中的应用实例

1.1 磁聚焦

图1 螺旋运动示意图

表1 磁聚焦测量数据

以U2为纵轴，以I2为横轴，利用Origin9.0 可以拟合曲线而且可以求出线性系数，如图2 所示。

图2 磁聚焦拟合结果

拟合获得的斜率是0.00329，在利用5.40268 除以该系数就可以获得电子荷质比1.642×1011C·Kg-1，理论值是1.758 C·Kg-1，相对误差为6.6%。

1.2 霍尔效应法测定螺线管轴向B的分布规律

螺线管是常见的电工器件，对于密匝型螺线管，轴向居中很大部分是匀强磁场，理论上中心轴向磁感应强度大小为B0=μ0nIM其中μ0为常数，n 为螺线管线圈匝数密度，IM为励磁电流。越往两端磁感应强度B的大小越小，理论上两端的B 值是中心值的一半。霍尔效应是非常有特点的电磁感应现象，金属块体在左右方向通电流，如果上下方向有磁场的话，前后方向就可以产生新的电场。利用霍尔效应可以制备霍尔器件，最常见的是测速系统。在半导体材料特别是薄膜材料的制备中，利用霍尔效应可以检测材料的电学性能。所以，本项大学物理实验是最基本的也是非常重要的。实验数据如表2 所示。

以x 为纵轴，以B 为横轴，利用Origin9.0 可以拟合曲线而且可以直观看出螺线管轴向B 的分布，如图3 所示。

图3 螺线管轴向磁感应强度分布曲线

1.3 马吕斯定律

根据偏振性，光可以分为偏振光如线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光，非偏振光如部分偏振光、自然光。线偏振光在传播过程中振动面保持不变，生活中液晶显示屏（电视、电脑、手机）发出的光线均属于线偏振光。通过投射和反射均可以获取线偏振光，常见的是通过偏振片获取偏振光。例如立体电影的制作和观看、摄像机、照相机的偏振片、偏光太阳镜都是利用这个原理。偏正片化学成分是聚乙烯醇，有一个偏振化方向，当光的振动面平行偏振化方向时，光完全可以通过偏振片；当垂直偏振化方向时，光会被吸收掉；如果偏振面与振动面成一定夹角时呢？实验证明满足马吕斯定律，I=IOcos2θ。实验测量数据如表3 所示。

表2 螺线管轴向磁感应强度实验测量数据

表3 马吕斯定律实验测量数据

以Cos2Θ为横轴，以I 为纵轴，利用Origin9.0 可以拟合曲线而且可以直观看出线性关系的分布，进而验证马吕斯定律，如图3 所示。学生利用软件不仅可以获取拟合曲线，对应斜率就是入射光强度，可以和实验课堂上的硅光电池的度数直接对应，让实验变得直观而且有深度，看到完美的线性关系，大大提升学习的兴趣和对下一次实验的向往。

图4 马吕斯定律

1.4 光电效应法测普朗克常数

光电效应是指一定频率的光照射到金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象。光电效应最初由赫兹在研究电极时发现的，赫兹发现用紫光照射电极可以使周围的空气出现电离现象。他将该现象以论文的形式公布于众，迅速得到了其他物理学家的重视。不到一年，物理学家进一步研究发现并指出该现象为光电效应。光照可以从金属中打出电子。光电效应一直用经典物理无法解释，指导1905 年爱因斯坦在普朗克能量量子假设、玻尔氢原子假设等量子学术背景下，大胆提出光量子假设，并给出著名的光电效应方程Ek=hv-W0。当光电管两端加反向偏执电压，光电流减小，当光电流减小到零时，所加的反向电压称为截止电压，用U0表示。即eU0=Ek这时的反向电压叫截止电压。即eU0=hv-W0。利用这一现象，我们可以测量普朗克常数，同时验证光电效应方程。

表4 U0-v 实验测量值

以v 为横轴，以U0 为纵轴，利用Origin9.0 可以拟合曲线而且可以直观看出线性关系的分布，进而给出斜率h/e，通过计算得到的普朗克常数值为6.588×10-34，相对误差仅为0.6%，拟合曲线如图5 所示。在实际数据处理过程中，尽管教师提醒尽可能多取几组实验数据，计算斜率然后取平均值，但是大部分学生急于求成，只要误差可以就草草了事，违背了科学精神。利用软件，就可以克服这个困难。