郭陽(yáng)雪孔祥洪楊 渭陳 瑜

（1上海海洋大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心，上海 201306）（2上海海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，上海 201306）

Origin軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

郭陽(yáng)雪1孔祥洪1楊 渭1陳 瑜2

（1上海海洋大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心，上海 201306）（2上海海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，上海 201306）

本文以一實(shí)例詳細(xì)介紹了Origin軟件對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法，其在處理量大繁多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)具有強(qiáng)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(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理

1 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，特別是與科學(xué)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(huì)進(jìn)步對(duì)人才的需求方面有著不可替代的作用.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要的組成部分，數(shù)據(jù)處理結(jié)果直接影響著對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程正確與否的判斷.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中增強(qiáng)和提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，將來(lái)能夠成為高素質(zhì)的科研工作者或物理教學(xué)工作者［1］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(duì)大量數(shù)據(jù)的處理，用手工方法描點(diǎn)，繪制曲線，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，圖像粗糙，而且對(duì)于誤差精度的控制也難以達(dá)到預(yù)期的效果.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，包括數(shù)據(jù)的排序、調(diào)整、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、頻譜變換、曲線擬合等.本文以一物理實(shí)驗(yàn)為例，重點(diǎn)介紹Origin軟件在曲線擬合方面的應(yīng)用［1］.

2 Origin在太陽(yáng)能電池特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

圖1為太陽(yáng)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(fù)載；UOC是開(kāi)路電壓；UL是負(fù)載電壓.當(dāng)太陽(yáng)能電池的輸出端短路時(shí)，即可得到短路電流Ish，圖1（a）為太陽(yáng)能電池接上負(fù)載電阻RL，圖1（b）為太陽(yáng)能電池的輸出端開(kāi)路時(shí)得到的開(kāi)路電壓UOC，太陽(yáng)能電池的輸出電壓和電流將隨著負(fù)載電阻的變化而變化，硅電池的輸出功率也將隨著負(fù)載電阻的變化而變化.可以利用下式計(jì)算.

硅電池負(fù)載功率：

通過(guò)測(cè)量RL的端電壓UL及開(kāi)路電壓UOC，便可以算出負(fù)載功率及硅電池總輸出功率.根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在本實(shí)驗(yàn)中我們采用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，和傳統(tǒng)的作圖方法相比，整個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)單，便于學(xué)生掌握和學(xué)習(xí)，又可以激發(fā)學(xué)生的興趣.

2.1 利用Origin對(duì)實(shí)驗(yàn)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(cè)得的短路電流Isc和開(kāi)路電壓UOC.首先把表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)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(lèi)數(shù)據(jù)，每一類(lèi)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(kāi)plot菜單，選中l(wèi)ine選項(xiàng)，點(diǎn)擊spline命令，軟件自動(dòng)生成一張二維圖表，也即擬合出開(kāi)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(shí)，開(kāi)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(shí)，有5%左右溫度漂移.

圖3 開(kāi)路電壓和溫度曲線

2.2 Origin通過(guò)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)曲線擬合功能

與上面生成二維圖像過(guò)程一樣，首先打開(kāi)Plot菜單，選中l(wèi)ine選項(xiàng)，點(diǎn)擊spline命令就會(huì)自動(dòng)生成一張圖表.由實(shí)驗(yàn)測(cè)得太陽(yáng)能電池在一定溫度下的負(fù)載阻值RL、負(fù)載電壓UL，根據(jù)公式（1）、（2）、（3）計(jì)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(shí)，負(fù)載電阻RL＝1280Ω時(shí)，負(fù)載功率PL最大.2.3 Origin對(duì)已知曲線求導(dǎo)數(shù)

對(duì)圖5曲線進(jìn)行求導(dǎo)，得到功率對(duì)負(fù)載的變化曲線見(jiàn)圖6.具體操作為：將圖5導(dǎo)入到Origin軟件中，打開(kāi)analyses菜單，選中 mathematics differentiate選項(xiàng)，然后點(diǎn)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(xiàng)，點(diǎn)擊OK，軟件自動(dòng)生成求導(dǎo)曲線.

圖6 對(duì)PL－RL求導(dǎo)曲線

圖7 對(duì)曲線求導(dǎo)操作

由圖6曲線可以看出當(dāng)溫度T＝31℃時(shí)，RL＞950Ω時(shí)導(dǎo)數(shù)接近零，負(fù)載功率變化較為平穩(wěn).

3 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使其在各行各業(yè)中的地位越來(lái)越重要，它的應(yīng)用也逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域.大學(xué)教學(xué)方法正在由傳統(tǒng)的教學(xué)方式向現(xiàn)代化的教育方向邁進(jìn)，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)已是現(xiàn)代教育中的發(fā)展主流.利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理不僅可以提高效率，還可以有效地減小計(jì)算誤差，作為物理實(shí)驗(yàn)教師，我們有責(zé)任去探索和研究，將現(xiàn)代的信息計(jì)算應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中.

［1］ 王平軍.實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ幕疽螅跩］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2006，（01）：6～9

［2］ 楊渭，孔祥洪、郭陽(yáng)雪等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京；中國(guó)鐵道出版社，2010.46～51，156～158

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

［4］ 廖志凌，阮新波.硅太陽(yáng)能電池串聯(lián)電阻的一種估算新方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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(yáng)電池參數(shù)的一種新方法［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，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(xué)重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目（NO.A2600-10-0053，NO.A2600-10-0052）；上海市高校本科教育高地建設(shè)項(xiàng)目（NO.B8515-10-0001）.

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