Origin在普朗克常数测量实验数据处理中的应用

李艳青智丽丽陈惠敏

（1,2.昌吉学院物理系 新疆 昌吉 831100；3.昌吉学院教务处 新疆 昌吉 831100）

Origin在普朗克常数测量实验数据处理中的应用

李艳青1智丽丽2陈惠敏3

（1,2.昌吉学院物理系 新疆 昌吉 831100；3.昌吉学院教务处 新疆 昌吉 831100）

本文简要介绍了Origin软件的主要功能及在处理普朗克常数测量实验数据处理方面的优越性。与传统的物理实验数据处理方法相比，Origin软件的数据分析和图形处理功能十分强大，不仅可以有效避免手工绘图所带来的误差，而且还能够绘制二维，甚至三维图像，能够准确直观地处理实验数据和获得更大的信息量。因此，Origin软件作为一种常用数据处理方法非常适合在物理实验教学和科学研究等领域中使用。

Origin软件；物理实验；数据处理 ；普朗克常数测量

1 引言

大学物理实验作为理工科大学生一门科学实验课程，不仅应让学生受到严格的、系统的实验技能训练,掌握科学实验的基本知识、方法和技巧,更重要的是要培养学生严谨细致的科学研究精神[1]。大学物理实验中实验数据的处理方法直接影响了实验结果的精确度，传统的数据处理（电子计算器计算数据）和数据作图（坐标纸手工绘图）存在实验结果误差大、效率低、拟合曲线粗糙和信息量小等缺点。随着计算机技术在各国的普及与发展，计算机技术已经渗透了各个学科，引入计算机软件在处理大学物理实验数据有利于实验教学的改进和提高。一方面，利用计算机软件可以大大提高实验数据的精确度，有效的避免了手工作图误差大，个人主观性强等不足。另一方面，对于一些实验数据繁多，传统的数据处理方法无法处理，计算机软件处理可以有效的弥补这个缺点，能准确直观地分析实验结果，提高了工作效率[2-3]。

Origin是美国OriginLab公司（其前身为Microcal公司）开发的图形可视化的专业函数绘图软件，是一个多文档界面的应用程序[4]，主要两大功能：数据分析和绘图，不仅满足复杂的数据分析，而且也可以绘制二维和三维图形界面。自1991年问世以来，由于其操作简便，直观图形化和功能强大等功能，迅速成为了国际范围内流行的分析软件之一，是公认的简单易学、操作灵活、准确度高和功能强大的数据分析软件。Origin软件在很多的大学物理实验的数据处理和分析的过程中变得简单直观，是传统的数据处理方法和

同类其他软件无法所得到的，因此在实验教学和科学研究等中具有广泛的应用[5-7]。本文将以普朗克常数测量实验为例，介绍一下Origin软件在物理实验数据中的应用。

2 普朗克常数的测量

2.1 实验原理

赫兹在1887年首先发现光电效应，该发现对认识光的本质具有非常重要的意义。1905年，爱因斯坦根据普朗克的能量子假设，提出了光量子的概念，成功解释了光电效应的实验规律[8]。1916年，密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电方程，与普朗克在1900年从黑体辐射中求得的普朗克常数符合极好。爱因斯坦和密立根分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。

由爱因斯坦的光电方程（1）可知，当光子以频率为入射到金属表面上时，金属中的自由电子就会获得能量（为普朗克常数）。如果大于自由电子从金属表面逸出时所需的逸出功，电子会以初始动能为从金属中逸出。

图2-1 普朗克常数实验装原理图

如图2-1所示，当单色光入射到光电管的金属阴极板K时，阴极板就会释放光电子达到阳极A，用微安表可测量形成的光电流。如果保持单色入射光不变的，在AK两极之间施加一个反向电压（A极为负），到达阳极A上的光电子就会减少，当反向电压增加到一定值时，光电流降到零，此时的就称做遏止电压。

将（2）式代入（1）式可得：

（3）式表明截止电压和频率成线性关系，斜率为，因此只要从实验上得到不同的频率对应的截止电压，根据斜率就可得到值。

2.2 实验数据

本实验采用的是HLD-PE-IV普朗克常数测量仪，选择了365nm、405nm、436nm、546nm和577nm 5种波长输入，得到了不同频率入射光下的截止电压，截止电压取5次平均值，原始实验数据如表1所示。

表1 不同频率光下的截止电压

2.3 Origin软件处理实验数据

在计算机上安装上Origin软件（版本为Origin7.5），启动该软件，自动生成一个Project文件，

默认一个标题为Data1的表格，然后将表1中的实验数据输入到该表格内，其中在A[X]列中按顺序输入频率一组，在B[Y]列中对应的输入截止电压的平均值，输出后X轴代表频率，Y轴代表截止电压，如图2-2（a）。

将输入后的数据进行描点，按住鼠标的左键将Data1的表格中A[X]列和B[Y]列选中，点击鼠标右键，将鼠标箭头指向【Plot】【Scatter】，如图2-2（b）。

图2-2 Origin软件输入数据界面图

然后点击鼠标左键，就可以出现一个二维图形界面，自动描绘出五个离散的数据点，如图2-3所示的截止电压与频率的散点图，其中X Axis Title代表的是频率值，Y Axis Title代表的是截止电压的平均值。

图2-3 截止电压与频率的散点图

在图2-3散点图上进行拟合，利用Origin软件对上述5个点进行线性拟合。用鼠标点击菜单栏中的【Analysis】【Fit Linear】，完成对散点数据的线性拟合[4].正如图2-4所示的截止电压与频率的线性拟合了最适合的一条直线，5个数据点都分布在拟合直线上，说明了光频率域截止电压间是成线性关系，符合理论要求。

拟合的参数也会在Origin软件自动给出，如图2-5是线性拟合后的参数，其中A为截距及截距的标准差SA，B为斜率以及斜率的标准差SB，R拟合的相关系数R=0.99957，非常接近于1。从5个数据点在拟合直线的分布以及相关系数可以说明拟合结果非常理想，达到了预期的效果。

图2-4 截止电压与频率的线性拟合图

图2-5 线性拟合参数

2.4 实验结果误差分析

从Origin软件分析可以得到拟合直线的斜率B=-0.41326，即h/e=-0.41326，式中为基本电荷量。因此我们可以得到：

相对误差：

通过计算可以看出，普朗克常数的实验值和真实值非常接近，相对误差仅为，完全在误差范围内，实验结果误差较小。

3 结论

实验数据的处理在大学物理实验中占有非常重要的地位，传统的数据处理和数据作图已经不能满足物理实验教学的发展。本文以普朗克常数测量实验为例，可以看出Origin软件可以简洁、快速地进行取点和线性拟合。不但操作过程简单，绘图美观，而且参数详细和准确度高，有效的避免了手工计算和绘图过程中主观因素所造成的误差，大大简化了数据处理过程，获得更多的信息量。因此，Origin软件非常适用于物理实验教学的数据处理和分析。

[1]蔡青.深化改革,提高物理实验教学水平[J].实验科学与技术,2008,6(4):324-325.

[2]牟中飞,吴福根,胡义华,王银海.Origin软件在物理实验数据处理中的应用[J].实验科学与技术2009,7(4):60-62.

[3]李锦文,吴先球,熊建文.利用Origin软件对大学物理实验数据进行曲线分析的两个实例[J].大学物理实验,2010, 23(5):74-76.

[4]周剑平.Origin使用教程（7.5版）[M].西安：西安交通大学出版社,2011.

[5]金淑华,秦艳芬,贺梅英.Origin软件在大学物理实验数据处理中的应用[J].宁波工程学院学报,2008,20(2):4-7.

[6]吴肖,廖文,何艳阳.Origin在大学物理实验中的应用[J].中国现代教育装备，2008，（10）：32-34.

[7]曹国红.Origin软件在物理实验数据处理中的应用[J].物理教师,2008,29(5):38-39.

[8]贺德春.近代物理实验[M].北京：国防工业出版社，2014.

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1671-6469（2014）03-0078-04

2014-03-12

昌吉学院教研课题（11jyyb014）；新教高[2013]16号昌吉学院陈惠敏《探秘电和磁》。

李艳青（1982-），男，昌吉学院物理系，讲师，在读博士研究生，研究方向：物理实验教学及半导体光催化材料的制备与表征。