Origin软件在大学物理实验教学中的应用

摘要：Origin软件强大的数据处理及绘图能力有助于学生在《大学物理实验》中对数据进行分析、拟合和图像的绘制。以霍尔效应法测电螺线管轴向磁感应强度实验为例介绍Origin软件的数据处理及拟合功能。结果表明，Origin软件的应用，有效的提升了学生的绘图水平，降低了绘图误差，也为学生未来的学习和科研打下坚实的基础。

关键词：Origin; 大学物理实验；霍尔效应；数据拟合

中图分类号;G434 文献标识码：A

The Application of Origin in College Physical Experiments

Liu Nian， Xuzhong Zuo， Enjie He， YanFu Qin， Banggui Guan

Department of Electrical and Electronic Engineering， Anhui Science and Technology University AnhuiBengbu 340302

Abstract：The powerful data processing and drawing capabilities of Origin software promoted students analyze， fit， and draw images of data in College Physics Experiments. Taking “the Measurement of axial magnetic induction intensity of solenoid by the Hall effect method” as an example， this paper shows the data processing and fitting functions of Origin software. The results indicate that the application of Origin software has effectively improved students' drawing skills， reduced drawing errors， and laid a solid foundation for their future learning and scientific research.

Keywords： Origin; the Hall effect; university physics experiments; data fitting

1 概述

理论和实验是相辅相成的，大学物理实验作为大学物理课程的重要组成部分，是理工类专业必修的一门实验基础课程。通过大学物理实验教学，可以帮助学生更深入、具体地理解、掌握物理概念和物理规律，探讨实验的方法解决物理学问题[1]。学生在实验仪器的使用和操作的过程中掌握基本的实验技能，为后续的专业课程的学习打下基础。

实验数据的正确处理是实验教学的一个重要环节。在深刻理解实验原理的基础上，对实验数据进行定量分析，从而进一步加深对理论知识的认识。实验数据处理的过程更是逻辑分析的过程，学生严谨科学态度培养的过程。

随着信息技术的不断发展，Excel、Origin、Matlab、Mathematica等数理处理或仿真软件的普及从某种程度上也在“倒逼”大学物理实验课程的改革。传统的实验课程中，学生将实验数据手工计算后在坐标纸上描点画图，所绘图像往往较为粗糙，描点误差大，也费时费力。Origin软件自1991年由OriginLab公司推出以来，以其强大的数据处理功能和简单的操作过程深受广大科研工作者追捧和喜爱[2-4]。利用Origin对数据进行排序、计算、统计、拟合、平滑等操作，简化了冗繁的数据处理过程，且使图像更为美观。本文以霍尔效应法测电螺线管轴向磁感应强度实验为例介绍Origin软件的数据处理及拟合功能。分析霍尔电压、霍尔电流，霍尔电压与励磁电流及通电螺线管轴向磁感应强度与位置关系，得到拟合曲线，计算出通电螺线管轴向磁感应强度的大小及相对误差，以期为学生在做相关实验的数据处理过程提供一些有益的参考。

2 实验原理及方法

霍尔效应[5]从本质上讲是运动的带电离子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。如图1所示的半导体材料，假设在其X方向通有电流Is，Z方向通以磁场，其磁感应强度为B，则在Y方向上将会产生正负电荷的聚积，形成附加的横向电场——霍尔电场。分析半导体材料在场中的受力情况可知：

其中为霍尔电场，为载流子的平均漂移速度，为单位体积载流子浓度，为样品厚度，为霍尔系数。对于成品的霍尔器件来讲，和已知，令霍尔灵敏度则：

因此只要测出样品的，代入（4）式，则可求出未知磁感应强。

但是由于Ettingshausen效应（UE）、Nernst效应（UN）、Righi-Leduc效应（URL）以及不等位电势（U0）等副效应[6-7]的存在，需要采用电流和磁场换向的对称测量法消除副效应影响，即在测量中规定电流和磁场正反方向后，分别测量下列四组不同方向的和组合的电压，并求其平均值，则

对于一个有限长的载流长直螺线管，其内腔中磁力线平行于轴线，仅在靠近两端处才呈现明显的不均匀性。因此通电螺线管的磁场强度在其中心点最大，在端点处呈现明显的不均匀性。在其中心点处磁感应强度为

3 采用Origin软件处理、分析实验数据

将实验所记录的霍尔器件的输出特性数据输入Origin软件的工作表单，如表1，表2所示。以表1为例，从左到右前五列Is、U1、U2、U3、U4按照各列分别对应A（X），B（Y），C（Y），D（Y），E（Y）各列数值，右键单击F（Y）列，值得说明的是，在Origin中，Col（i）表示第i列的数值。选择Set Column values选项，把该列数值设置为（Col（B）-Col（C）+Col（D）-Col（E））/4，则F（Y）列数值即为UH的值。同时选中A（X）和F（Y）列，选择Plot→Symbol→Scatter，绘制实验数据的散点图，绘制完成后，选择Analysis→Fitting→Linear fitting进行线性拟合。图2即为表1的测绘数据的拟合情况，图3为拟合参数。由图3可以得出拟合曲线的斜率及截距，拟合的直线表达式为。可以看出UH与Is成线性关系，截距0.00027非常小，可以忽略，这与公示（4）基本吻合，说明测量数据较为准确。

实验室所用霍尔器件KH已知为162.2mV/（mA·T），取Is=5.00mA，IM=500mA，将霍尔器件逐渐从螺线管一端（x=0）移到另一端（x=30cm），依次测量，数据如表2所示。数据输入Origin软件的工作表单，对于UH列数据，右键单机选择F（Y）整列，选择Set Column values选项，把该列数值设置为（Col（B）-Col（C）+Col（D）-Col（E））/4，则F（Y）列数值即为UH的值，G（Y）列同样方法设置数值为Col（F）/176.2/5，得到磁感应强度B值。同时选中A（X）和F（Y）列，选择Plot-Symbol-Scatter，绘制实验数据的散点图，绘制完成后，选择Plot → Line→Spline Connected，绘制好的图形如图3所示。

对上述实验结果进行分析，通电螺线管中心磁感应强度为7.19T，由公式（4）可知，图2直线的斜率即为KH*B，则KH=176.22，与理论值176.2接近，符合预期。实验用通电螺线管长度为26cm，线圈总匝数为3000匝，则根据公式（10）通电螺线管的理论值为B0=7.25T，与计算所得结果比较求出相对误差

4 结论

由上述两个实验数据处理过程及结果可以看出，Origin能够根据所测结果快速计算物理参量，并绘制所需图形，进行线性拟合等操作，所绘图形不仅美观，而且误差较小，不仅大大节省了计算时间，也减少了计算过程的失误。有助于培养学生的科学素养，为后续的学习和科研打下基础。

参考文献：

[1]孙二平，刘维慧，张进娟，等.物理实验中数据处理教学研究与实践[J].大学物理实验， 2022， 35（2）：129-134．

[2]刘慧，边健，丰远，等.Origin软件在近代物理实验教学中的应用探讨[J].科技创新导报， 2017， 14（27）：216-220

[3]孟卫，胡芳.Origin8.0在物理化学实验中的应用[J].广东化工， 2012， 39（015）：184-185.

[4]王艳召，高凤菊，刘虎，等.Origin软件在刚体转动惯量测量实验中的应用[J].廊坊师范学院学报：自然科学版， 2013， 13（4）：44-46+50.

[5]章毛连.大学物理实验[M].中国农业出版社，2012.

[6]黄响麟，何琛娟，廖红波，等.变温霍尔效应中副效应的研究[J].大学物理， 2011， 30（3）：48-52.

[7]弓文平，牟家民，杜雅梦，等.用 Origin 软件探究 HgCdTe 单晶的变温霍尔效应[J].北京师范大学学报：自然科学版，2023，59（3）：358-361.

基金项目：安徽省教育厅质量工程一般教研项目（2021jyxm0327）；安徽省教育厅质量工程重点教研项目（2021jyxm0318）；安徽科技学院课程思政示范课堂（xj2021099）；安徽科技学院课程思政示范课堂（Xj2022113）；安徽科教学院线上线下混合式课程（Xj2023021）

作者简介：刘念（1987— ），女，安徽省阜阳人，硕士研究生，讲师，安徽省教坛新秀，主要从事光电与热电器件的研究及物理及光电类课程教育研究。