王娜，陳兵，劉春見，劉念

（安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，蚌埠233000）

0 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是高等院校理、工、農(nóng)、醫(yī)等專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后較早學(xué)習(xí)到的一門必修基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，也是其接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端[1-2]。物理實(shí)驗(yàn)課覆蓋面廣，具有豐富的實(shí)驗(yàn)思想、方法、手段，已經(jīng)形成了一套完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，因此可以講物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⑻岣呖茖W(xué)素質(zhì)的重要手段，它在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識(shí)、理論聯(lián)系實(shí)際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面的作用是其它實(shí)驗(yàn)類課程不可替代[3-4]。我校地方應(yīng)用型高水平本科高校，注重學(xué)生的實(shí)際操作水平的培養(yǎng)。以大學(xué)物理為例，農(nóng)學(xué)類專業(yè)如生物工程、食品工程、種子工程專業(yè)開始的大學(xué)物理B 理論學(xué)時(shí)有原來的54 學(xué)時(shí)現(xiàn)在增加到64 學(xué)時(shí)，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作為18 學(xué)時(shí)；工科專業(yè)如計(jì)算機(jī)科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)等實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)由原來的18 學(xué)時(shí)增致24學(xué)時(shí)。通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能明白或者加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知，抽象的理論知識(shí)變得直接和形象。通過實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生能養(yǎng)成自主預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析的習(xí)慣，為將來專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為此，立足我校實(shí)際，目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心開始基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)6 項(xiàng)，分別是密立根油滴實(shí)驗(yàn)-電子電荷的測(cè)量、示波器的使用、電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀測(cè)、霍爾效應(yīng)法測(cè)定螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布、用示波器觀測(cè)鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線、光的等厚干涉現(xiàn)象與應(yīng)用-牛頓環(huán)的測(cè)定和偏振光的觀測(cè)和應(yīng)用。綜合和近代物理實(shí)驗(yàn)1 項(xiàng)，即光電效應(yīng)法測(cè)定普朗克常數(shù)。Origin9.0 是一個(gè)功能強(qiáng)大的科學(xué)繪圖、數(shù)據(jù)分析軟件，支持在Microsoft Windows 下運(yùn)行，是研究人員研究各種科學(xué)規(guī)律的完善的圖形和分析的常用軟件。目前，很多地方應(yīng)用型高校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生完成了做和測(cè)，往往忽略了非常重要的數(shù)據(jù)處理。學(xué)生一下課，課下沒有任何事可做，課堂上測(cè)量過程很快就會(huì)忘記。如果加上軟件處理數(shù)據(jù)的過程，這部分可以放在課后完成，學(xué)生對(duì)自己的測(cè)量數(shù)據(jù)是否滿足要求，能有個(gè)直觀感受，有一定的成就感。通過處理數(shù)據(jù)，學(xué)生能再次回顧整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，也會(huì)對(duì)下次實(shí)驗(yàn)充滿信心。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量能力的培養(yǎng)基礎(chǔ)上，能提升學(xué)生的科學(xué)探索能力，為將來專業(yè)實(shí)驗(yàn)的有序進(jìn)行打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。但是關(guān)于Origin9.0 在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。

1 Origin9.0在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用實(shí)例

1.1 磁聚焦

圖1 螺旋運(yùn)動(dòng)示意圖

表1 磁聚焦測(cè)量數(shù)據(jù)

以U2為縱軸，以I2為橫軸，利用Origin9.0 可以擬合曲線而且可以求出線性系數(shù)，如圖2 所示。

圖2 磁聚焦擬合結(jié)果

擬合獲得的斜率是0.00329，在利用5.40268 除以該系數(shù)就可以獲得電子荷質(zhì)比1.642×1011C·Kg-1，理論值是1.758 C·Kg-1，相對(duì)誤差為6.6%。

1.2 霍爾效應(yīng)法測(cè)定螺線管軸向B的分布規(guī)律

螺線管是常見的電工器件，對(duì)于密匝型螺線管，軸向居中很大部分是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，理論上中心軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0=μ0nIM其中μ0為常數(shù)，n 為螺線管線圈匝數(shù)密度，IM為勵(lì)磁電流。越往兩端磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小越小，理論上兩端的B 值是中心值的一半?；魻栃?yīng)是非常有特點(diǎn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，金屬塊體在左右方向通電流，如果上下方向有磁場(chǎng)的話，前后方向就可以產(chǎn)生新的電場(chǎng)。利用霍爾效應(yīng)可以制備霍爾器件，最常見的是測(cè)速系統(tǒng)。在半導(dǎo)體材料特別是薄膜材料的制備中，利用霍爾效應(yīng)可以檢測(cè)材料的電學(xué)性能。所以，本項(xiàng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是最基本的也是非常重要的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

以x 為縱軸，以B 為橫軸，利用Origin9.0 可以擬合曲線而且可以直觀看出螺線管軸向B 的分布，如圖3 所示。

圖3 螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線

1.3 馬呂斯定律

根據(jù)偏振性，光可以分為偏振光如線偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光，非偏振光如部分偏振光、自然光。線偏振光在傳播過程中振動(dòng)面保持不變，生活中液晶顯示屏（電視、電腦、手機(jī)）發(fā)出的光線均屬于線偏振光。通過投射和反射均可以獲取線偏振光，常見的是通過偏振片獲取偏振光。例如立體電影的制作和觀看、攝像機(jī)、照相機(jī)的偏振片、偏光太陽鏡都是利用這個(gè)原理。偏正片化學(xué)成分是聚乙烯醇，有一個(gè)偏振化方向，當(dāng)光的振動(dòng)面平行偏振化方向時(shí)，光完全可以通過偏振片；當(dāng)垂直偏振化方向時(shí)，光會(huì)被吸收掉；如果偏振面與振動(dòng)面成一定夾角時(shí)呢？實(shí)驗(yàn)證明滿足馬呂斯定律，I=IOcos2θ。實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表3 所示。

表2 螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

以Cos2Θ為橫軸，以I 為縱軸，利用Origin9.0 可以擬合曲線而且可以直觀看出線性關(guān)系的分布，進(jìn)而驗(yàn)證馬呂斯定律，如圖3 所示。學(xué)生利用軟件不僅可以獲取擬合曲線，對(duì)應(yīng)斜率就是入射光強(qiáng)度，可以和實(shí)驗(yàn)課堂上的硅光電池的度數(shù)直接對(duì)應(yīng)，讓實(shí)驗(yàn)變得直觀而且有深度，看到完美的線性關(guān)系，大大提升學(xué)習(xí)的興趣和對(duì)下一次實(shí)驗(yàn)的向往。

圖4 馬呂斯定律

1.4 光電效應(yīng)法測(cè)普朗克常數(shù)

光電效應(yīng)是指一定頻率的光照射到金屬表面時(shí)會(huì)有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。光電效應(yīng)最初由赫茲在研究電極時(shí)發(fā)現(xiàn)的，赫茲發(fā)現(xiàn)用紫光照射電極可以使周圍的空氣出現(xiàn)電離現(xiàn)象。他將該現(xiàn)象以論文的形式公布于眾，迅速得到了其他物理學(xué)家的重視。不到一年，物理學(xué)家進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)并指出該現(xiàn)象為光電效應(yīng)。光照可以從金屬中打出電子。光電效應(yīng)一直用經(jīng)典物理無法解釋，指導(dǎo)1905 年愛因斯坦在普朗克能量量子假設(shè)、玻爾氫原子假設(shè)等量子學(xué)術(shù)背景下，大膽提出光量子假設(shè)，并給出著名的光電效應(yīng)方程Ek=hv-W0。當(dāng)光電管兩端加反向偏執(zhí)電壓，光電流減小，當(dāng)光電流減小到零時(shí)，所加的反向電壓稱為截止電壓，用U0表示。即eU0=Ek這時(shí)的反向電壓叫截止電壓。即eU0=hv-W0。利用這一現(xiàn)象，我們可以測(cè)量普朗克常數(shù)，同時(shí)驗(yàn)證光電效應(yīng)方程。

表4 U0-v 實(shí)驗(yàn)測(cè)量值

以v 為橫軸，以U0 為縱軸，利用Origin9.0 可以擬合曲線而且可以直觀看出線性關(guān)系的分布，進(jìn)而給出斜率h/e，通過計(jì)算得到的普朗克常數(shù)值為6.588×10-34，相對(duì)誤差僅為0.6%，擬合曲線如圖5 所示。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中，盡管教師提醒盡可能多取幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算斜率然后取平均值，但是大部分學(xué)生急于求成，只要誤差可以就草草了事，違背了科學(xué)精神。利用軟件，就可以克服這個(gè)困難。

圖5 擬合曲線

1.5 光電效應(yīng)中的伏安特性曲線

當(dāng)光電管兩端加正向偏置電壓，光電子在外電場(chǎng)作用下，加速運(yùn)動(dòng)，回路中的光電流增大，通過測(cè)量光電流隨正向偏置電壓的變化數(shù)據(jù)，如表5 所示，就可以描繪光電管的伏安特性曲線，如圖6 所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著正向偏置電壓增大，光電流先是明顯增大然后增速平緩。

表5 伏安特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)1

圖6 伏安特性曲線

2 結(jié)語

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生科學(xué)地測(cè)量數(shù)據(jù)，更要掌握處理數(shù)據(jù)的方法，而Origin9.0 是科學(xué)研究者常用的數(shù)據(jù)處理軟件。文中詳細(xì)介紹了利用Origin9.0 繪制磁聚焦、螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度、馬呂斯定律、普朗克常數(shù)和光電效應(yīng)伏安特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果的過程，極大增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。