Origin軟件在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

郭陽雪孔祥洪楊 渭陳 瑜

（1上海海洋大學物理實驗中心，上海 201306）（2上海海洋大學實驗室與設(shè)備管理處，上海 201306）

Origin軟件在大學物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

郭陽雪1孔祥洪1楊 渭1陳 瑜2

（1上海海洋大學物理實驗中心，上海 201306）（2上海海洋大學實驗室與設(shè)備管理處，上海 201306）

本文以一實例詳細介紹了Origin軟件對大學物理實驗數(shù)據(jù)處理的方法，其在處理量大繁多的實驗數(shù)據(jù)時具有強大的功能，與傳統(tǒng)的手工處理方法相比，利用該軟件可以提高作圖精度和減少數(shù)據(jù)處理誤差.

Origin；物理實驗；數(shù)據(jù)處理

1 引言

大學物理實驗在培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際，特別是與科學技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力，以適應(yīng)科技發(fā)展與社會進步對人才的需求方面有著不可替代的作用.大學物理實驗數(shù)據(jù)處理是大學物理實驗的一個重要的組成部分，數(shù)據(jù)處理結(jié)果直接影響著對整個實驗操作過程正確與否的判斷.實驗過程中增強和提高學生數(shù)據(jù)處理能力，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，將來能夠成為高素質(zhì)的科研工作者或物理教學工作者［1］.大學物理實驗數(shù)據(jù)處理的基本方法有：作圖法、列表法、回歸法和逐差法等［2］，尤其是采用作圖法對大量數(shù)據(jù)的處理，用手工方法描點，繪制曲線，不但費時費力，圖像粗糙，而且對于誤差精度的控制也難以達到預期的效果.隨著科學技術(shù)的發(fā)展和計算機應(yīng)用的普及，實驗數(shù)據(jù)處理方法的多樣化，涌現(xiàn)了大量的數(shù)據(jù)處理軟件.Origin是一款優(yōu)秀的數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件，Origin軟件具有強大的數(shù)據(jù)分析功能，包括數(shù)據(jù)的排序、調(diào)整、計算、統(tǒng)計、頻譜變換、曲線擬合等.本文以一物理實驗為例，重點介紹Origin軟件在曲線擬合方面的應(yīng)用［1］.

2 Origin在太陽能電池特性測量實驗中的應(yīng)用

圖1為太陽能電池等效電路圖，其中，Ish是恒流源；D是P-N結(jié)；Rsh是并聯(lián)電阻［2～6］；Rs是串聯(lián)電阻；RL是負載；UOC是開路電壓；UL是負載電壓.當太陽能電池的輸出端短路時，即可得到短路電流Ish，圖1（a）為太陽能電池接上負載電阻RL，圖1（b）為太陽能電池的輸出端開路時得到的開路電壓UOC，太陽能電池的輸出電壓和電流將隨著負載電阻的變化而變化，硅電池的輸出功率也將隨著負載電阻的變化而變化.可以利用下式計算.

硅電池負載功率：

通過測量RL的端電壓UL及開路電壓UOC，便可以算出負載功率及硅電池總輸出功率.根據(jù)測得的實驗數(shù)據(jù)，在本實驗中我們采用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行處理，和傳統(tǒng)的作圖方法相比，整個操作過程簡單，便于學生掌握和學習，又可以激發(fā)學生的興趣.

2.1 利用Origin對實驗數(shù)據(jù)的擬合處理

圖1 硅電池等效電路圖

表1 不同溫度T下Isc、UOC的值

表1所示為在不同溫度下測得的短路電流Isc和開路電壓UOC.首先把表1中的實驗數(shù)據(jù)導入到Origin軟件中，Origin支持excel、text等多種數(shù)據(jù)格式，這里以軟件自帶的Book錄入數(shù)據(jù).Book是二維數(shù)據(jù)，每一列代表一類數(shù)據(jù)，每一類數(shù)據(jù)都有l(wèi)ong name、units、commen屬性，如圖2所示，錄入了兩組數(shù)據(jù)，分別是T和UL.其中，T的單位是℃，UL的單位是V.選定一列作為x軸，另一列為y軸，打開plot菜單，選中l(wèi)ine選項，點擊spline命令，軟件自動生成一張二維圖表，也即擬合出開路電壓和溫度的曲線及短路電流和溫度的曲線，分別如圖3和圖4所示.

圖2 錄入數(shù)據(jù)示例

從圖3中看出溫度在20℃～60℃時，開路電壓隨著溫度的升高而降低.從圖4中看出短路電流隨溫度的漂移情況，溫度在20℃～60℃范圍內(nèi)時，有5%左右溫度漂移.

圖3 開路電壓和溫度曲線

2.2 Origin通過數(shù)學模型實現(xiàn)曲線擬合功能

與上面生成二維圖像過程一樣，首先打開Plot菜單，選中l(wèi)ine選項，點擊spline命令就會自動生成一張圖表.由實驗測得太陽能電池在一定溫度下的負載阻值RL、負載電壓UL，根據(jù)公式（1）、（2）、（3）計算PL，就可以作出PL－RL關(guān)系曲線，如圖5所示.

圖4 短路電流和溫度曲線

圖5 PL－RL關(guān)系曲線

圖5曲線中，在溫度T＝31℃時，負載電阻RL＝1280Ω時，負載功率PL最大.2.3 Origin對已知曲線求導數(shù)

對圖5曲線進行求導，得到功率對負載的變化曲線見圖6.具體操作為：將圖5導入到Origin軟件中，打開analyses菜單，選中 mathematics differentiate選項，然后點擊open dialog，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)定界面，如圖7所示.選中plot derivative curve選項，點擊OK，軟件自動生成求導曲線.

圖6 對PL－RL求導曲線

圖7 對曲線求導操作

由圖6曲線可以看出當溫度T＝31℃時，RL＞950Ω時導數(shù)接近零，負載功率變化較為平穩(wěn).

3 結(jié)束語

計算機技術(shù)的發(fā)展，使其在各行各業(yè)中的地位越來越重要，它的應(yīng)用也逐漸滲透到各個領(lǐng)域.大學教學方法正在由傳統(tǒng)的教學方式向現(xiàn)代化的教育方向邁進，計算機輔助教學已是現(xiàn)代教育中的發(fā)展主流.利用計算機技術(shù)進行實驗數(shù)據(jù)處理不僅可以提高效率，還可以有效地減小計算誤差，作為物理實驗教師，我們有責任去探索和研究，將現(xiàn)代的信息計算應(yīng)用在物理實驗教學中.

［1］ 王平軍.實驗?zāi)芰Φ幕疽螅跩］.實驗室科學，2006，（01）：6～9

［2］ 楊渭，孔祥洪、郭陽雪等.大學物理實驗［M］.北京；中國鐵道出版社，2010.46～51，156～158

［3］ 任航，葉林.太陽能電池的仿真模型設(shè)計和輸出特性研究［J］.電力自動化設(shè)備，2009，29（10）：112～115

［4］ 廖志凌，阮新波.硅太陽能電池串聯(lián)電阻的一種估算新方法［J］.電工技術(shù)學報，2008，23（5）：88～92

［5］ 查珺，程曉舫，丁金磊等.基于一條I-V曲線提取硅太陽電池參數(shù)的一種新方法［J］.太陽能學報，2007 ，28（9）：992～995

APPLICATIONS OF ORIGIN SOFTWARE IN COLLEGE PHYSICS EXPERIMENTAL DATA PROCESSING

Guo Yangxue1Kong Xianghong1Yang Wei1Chen Yu2

（1Physics Experimental Center，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306）
（2Administrative Laboratory of Office and Equipment，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306）

The paper introduces a data processing method of Origin software in college physics experiment with an example.Origin has powerful function of processing massive experiment data.Compared with the traditional manual operation，the mapping precision is improved and the data processing errors are reduced by using Origin software.

Origin；physics experiment；data processing

2011-12-29）

上海市教委上海海洋大學重點課程建設(shè)項目（NO.A2600-10-0053，NO.A2600-10-0052）；上海市高校本科教育高地建設(shè)項目（NO.B8515-10-0001）.

郭陽雪，女，河南南陽人，講師，從事物理應(yīng)用及光電技術(shù).