传感器和Origin7.0软件在电脑控制光强与距离关系的实验中应用

陈伟明，夏雪琴

（浙江海洋学院，浙江 舟山 316000）

在大学物理实验中，用传统的实验方法和实验仪器无法去研究光强与距离的关系。如果将传感器与计算机及接口电路结合，应用于探究光强与距离关系的物理实验中，可实现对数据的在线实时采集、处理、成像，并用Origin7.0软件处理实验采集到的数据，从得到光强与距离的关系式的实验结果。这样可以提高测量精度，优化实验过程。

1 实验原理

1.1 光照度与距离的关系

点光源发光时，光线向周围4π立体角空间沿直线发射。假设一个点光源产生的光强总能量为Q且在光在向外发射过程中光能没有损失，在以光源为中心，距离为R的地方形成一个封闭球面，则光完全照射在球面上。如果照在物体面元上面dΦ上的光通量为 ，则照度E可表示为［1－2］

对点光源来说dφ＝dΩ，因而照度

由于光强传感器的面积固定不变，所以从上式可知，随着光源距离的增加，受光物体的照度与距离的平方成反比［3－4］。

图1 光强与距离实验图

1.2 光强传感器

光强传感器内部是有硅光电池作为光照度的传感器件，在经过相应的电子放大电路和信号采集和转换电路把与光照度成正比的信息传入电脑，使光强传感器远离点光源，得到照度与距离的数据和图像，从图像上，可以定性来研究光照度与距离的关系。

1.3 用origin7.0软件研究光照度与距离的关系

2 实验设备

光强传感器、实验架、小灯泡、直流稳压电源、光强传感器、计算机及配套辅助软件等。

3 实验方案

（1）调整传感器的高度，使其与小灯泡大致等高。

（2）调整光源与传感器的距离，利用电脑软件，点击“记录”按钮开始实验，移动传感器（从10cm开始）与此同时，使其沿轨道与小灯泡分部远离。

（3）根据初始的设定，记下传感器停下的位置L，传感器测量装置能同步采集该位置的光强，并记录此位置的光强。

（4）点击“绘制曲线”按钮，绘出光强与距离的关系曲线。虽然传感器测量装置中只能记录光强与时间的关系图，但可以从曲线的变化中直观的感受光强与距离的关系。

（5）对曲线进行“平滑处理”。

（6）用origin7.0软件处理实验数据得到光照度与距离的关系式。

4 实验数据记录与数据处理

（1）传感器数据采集软件操作得到光强与距离的变化图2

图2 光强与距离的变化图

（2）电脑软件的曲线处理窗口操作得到光强随距离的明显图3

图3 光强随距离变化的明显图

（3）用origin7.0软件处理实验数据得到光照与距离的关系式［3－4］

如图3所示光强随位移关系大致呈现反比关系，但不能确定光强随位移关系呈现反比关系，通过记录以下数据用origin7.0软件处理，得到光强随距离的关系式y＝Bx＋A。

表1 传感器采集光强与距离的数据

如图4所示，在Graph窗口中生成、的曲线。使用Tool工具条中的Data Selector选择要拟合的数据范围。激活Graph窗口，选择Analysis中的Fit Linear，Origin7.0将y、x的曲线拟合为直线，如图5示。拟合结果显示在Results Log窗口中，如图6所示，图中是拟合日期、拟合方程、分析类型和计算结果。Value是计算值，Error是标准误差，R是相关参数，N是数据点数目，P是概率值，SD是拟合的标准差。

图4 数据输入Data窗口

图5 线性拟合图

从图6可知，直线拟合度为0.999 03，因此这直线拟合非常可靠。拟合直线为：

图6 Results Log窗口

5 实验结果与分析

利用光强传感器和电脑软件做出光强随距离的曲线经过平滑处理，曲线走势大致呈现反比关系。通过采集几组数据利用用Origin7.0软件做出光强与距离平方倒数之间的函数关系图和拟合直线方程，可以直观的看出截距5.517 37几乎可以忽略不计，所以光强与几乎呈现正比关系，从而证明了光强与距离平方成反比关系成立。

当然，实验结果存在一定误差，误差的来源主要有以下几个方面。

（1）实验室的小灯泡功率不能达到很大，在小灯泡移动过程中光强不能按理论值那样变化。

（2）实验要探究的小灯泡光强与距离平方的关系，所以要求以小灯泡为单一光源进行实验，但实验室无法做到完全黑暗的条件，有日光和其他光源的干扰。

（3）在实验过程中需要人为的移动光强传感器，而光强传感器显示的是位移与时间的关系，在移动的过程中无法做到完全匀速。

（4）为了使实验结果尽可能精确，要求小灯泡功率较大，减少其他光源的干扰，移动传感器过程中要尽量保持匀速。

［1］ 竺江峰.大学物理实验教程［M］北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］ 姚启钧.光学教程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 姜王欣，颜淑雯，夏雪琴.逐差法和Origin7.0软件在大学物理实验数据处理中的比较［J］.大学物理实验，2012.

［4］ 丁琪等.智能传感器在大学物理实验中的应用［J］.大学物理实验，2012，03：75－79.