Origin软件在高中物理课题研究中的应用

黄泽璇 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

Origin软件是美国Origin Lab公司开发的具有强大数据分析与科技绘图功能的软件，该软件快速、灵活、易学，已广泛应用于科研领域.目前已有相关的研究将Origin软件引进中学物理实验，如自由落体实验[1]、测量电源电动势及内阻[2]、功与速度变化的关系[3]等，学生在进行这类实验前能根据先前理论知识的学习，对实验结果进行预测，在此基础上利用Origin软件的直线拟合或多项式拟合功能分析实验数据，有效利用了该软件在图像拟合上方便、快捷的特点.

课题研究是《普通高中课程方案》中研究性学习的重要组成部分[4]，与常规实验不同的是，它研究的问题主要来源于生活实际，且变量之间的关系往往是未知的.而Origin软件强大的自定义函数拟合功能及数据分析功能，可帮助学生在未知变量具体关系的前提下，快速寻求变量之间的函数关系并进一步挖掘相关信息，有效促进课题研究的开展.本文以“半导体薄膜压力传感器特性的实验研究”课题为例，介绍Origin软件在高中物理课题研究中的具体应用.

1 高中物理课题研究案例

“半导体薄膜压力传感器特性的实验研究” 是人教版选择性必修第二册提供的研究案例，实验目的为“了解半导体薄膜压力传感器在受到不同压力作用时其电阻是如何变化的以及这种变化的规律，并了解该规律在生产生活中的应用”.实验需用到RFP602型半导体薄膜压力传感器、铁架台、聚氨酯橡胶垫片、U型金属框、钩码、数字多用电表等，装置如图1所示.通过改变传感器下方钩码的数量来改变传感器所受压力的大小，数字多用电表的欧姆挡与传感器的两根引线相连直接测得不同压力下传感器的电阻值，以此来研究传感器的电阻随压力变化的规律.

图1 半导体薄膜压力传感器特性的实验研究装置图

2 利用Origin软件处理实验数据

实验获得的数据如表1所示.教材采用的是一般的数据处理方法，即列表、描点、连线，并通过作切线的方法根据截距求得具体的斜率大小.采用手工绘图的方法不仅操作繁杂、误差大且无法通过图像确定函数表达式来表示变量间的具体关系.

表1 半导体薄膜压力传感器在不同压力下的电阻

利用Origin软件可以很好地解决这一问题，以Origin2017中文版为例介绍其具体应用.

2.1 利用非线性曲线拟合功能绘制R-F图像

打开Origin软件，A(X)表示坐标轴的横轴，B(Y)表示坐标轴的纵轴.分别填入横坐标和纵坐标的名称，注释及F(x)项可不填.由于该实验探究的是压力传感器的电阻随压力变化的规律，故令横轴为压力F，单位为N，纵轴为电阻值R，单位为kΩ，并将表1的实验数据填入数据表中，如图2所示.接着选中A(X)和B(Y)两列，直接点击页面左下方的散点图按钮.出现散点图后点击菜单栏的“分析-拟合-非线性曲线拟合-打开对话框”，弹出的对话框如图3所示，软件提供了多个类别下的多种函数，可以逐一选择Origin软件提供的函数类型进行拟合，通过对比拟合结果(相关系数最大、残差平方和最小)选出最佳的拟合曲线，也可根据散点图的大致趋势在具体的函数类型中进行选择.在该实验中，通过对比不同函数的拟合效果，得到R-F图像如图4所示.由图4可知R与F满足关系式

图2 Origin软件的压力与电阻数据

图3 自定义函数选择

即R与F成指数型负相关关系，具体参数可见图4中的拟合结果.

图4 R-F图像及函数关系

2.2 微分求导 绘制图像

图图像

2.3 坐标读取 基于证据得出结论

如图6所示，当压力为1 N时传感器的灵敏度为28.35 kΩ/N,压力为5 N时传感器的灵敏度为1.32 kΩ/N，而教材通过手工作切线求得曲线在1 N和5 N处的斜率值分别为24 kΩ/N和1.9 kΩ/N，利用Origin有效提高了实验结论的准确度.通过图6所示不同压力下传感器灵敏度的对比，可发现当压力小于1.5 N时，传感器的灵敏度较高.于是我们可以基于数据得出结论：为了使传感器工作比较灵敏，作用在传感器上的压力应小于1.5 N，因此在实际应用情境中可根据实际对压力进行一定的放大或缩小，使作用在传感器上的压力小于1.5 N.

图6 不同压力下传感器灵敏度的比较

3 将Origin软件引进课题研究的价值探讨

通过以上案例的分析，可发现利用Origin软件辅助高中物理课题研究具有以下价值.

(1)拓宽学生研究的空间，培养科学研究的基本能力

课题研究与通常的学生实验有很大的不同，其研究问题的解决需要学生经历真正的探究过程.在未知变量间关系的前提下，利用列表、描点、连线等传统方法处理数据不仅操作繁杂、误差大，学生也难以根据图像确定变量间的具体函数关系.而Origin软件强大的自定义函数拟合和数据分析功能，有助于学生快速确定变量间的函数关系并可利用微分、积分、峰值分析等功能进一步挖掘相关信息，将学生从繁杂的数学分析中解放出来并拓宽研究的空间，提高了物理学习的有效性.此外，通过在课题研究中让学生应用相关的数据分析软件，可以锻炼学生科学研究的基本方法与技能.

(2)养成证据意识，发展核心素养

科学处理、分析与评估实验数据是培养学生证据意识的重要途径，利用Origin软件对课题研究中的实验数据进行细致分析，有助于培养学生的证据意识并促进核心素养的发展，体现在：

1)通过函数拟合功能引导学生从物理学的视角认识事物的内在规律和相互关系，促进科学思维的发展；

2)利用不同的方法和手段分析和处理数据，使学生能描述与解释探究结果和变化趋势，并准确表述、评估探究过程和结果，增强学生的科学探究能力；

3)通过Origin软件引导学生基于证据和逻辑发表自己的见解，养成严谨的科学研究态度并正确认识科学本质.