Origin軟件在高中物理課題研究中的應(yīng)用

黃澤璇 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

Origin軟件是美國(guó)Origin Lab公司開發(fā)的具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析與科技繪圖功能的軟件，該軟件快速、靈活、易學(xué)，已廣泛應(yīng)用于科研領(lǐng)域.目前已有相關(guān)的研究將Origin軟件引進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，如自由落體實(shí)驗(yàn)[1]、測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻[2]、功與速度變化的關(guān)系[3]等，學(xué)生在進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)前能根據(jù)先前理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上利用Origin軟件的直線擬合或多項(xiàng)式擬合功能分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效利用了該軟件在圖像擬合上方便、快捷的特點(diǎn).

課題研究是《普通高中課程方案》中研究性學(xué)習(xí)的重要組成部分[4]，與常規(guī)實(shí)驗(yàn)不同的是，它研究的問題主要來源于生活實(shí)際，且變量之間的關(guān)系往往是未知的.而Origin軟件強(qiáng)大的自定義函數(shù)擬合功能及數(shù)據(jù)分析功能，可幫助學(xué)生在未知變量具體關(guān)系的前提下，快速尋求變量之間的函數(shù)關(guān)系并進(jìn)一步挖掘相關(guān)信息，有效促進(jìn)課題研究的開展.本文以“半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器特性的實(shí)驗(yàn)研究”課題為例，介紹Origin軟件在高中物理課題研究中的具體應(yīng)用.

1 高中物理課題研究案例

“半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器特性的實(shí)驗(yàn)研究” 是人教版選擇性必修第二冊(cè)提供的研究案例，實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑椤傲私獍雽?dǎo)體薄膜壓力傳感器在受到不同壓力作用時(shí)其電阻是如何變化的以及這種變化的規(guī)律，并了解該規(guī)律在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用”.實(shí)驗(yàn)需用到RFP602型半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器、鐵架臺(tái)、聚氨酯橡膠墊片、U型金屬框、鉤碼、數(shù)字多用電表等，裝置如圖1所示.通過改變傳感器下方鉤碼的數(shù)量來改變傳感器所受壓力的大小，數(shù)字多用電表的歐姆擋與傳感器的兩根引線相連直接測(cè)得不同壓力下傳感器的電阻值，以此來研究傳感器的電阻隨壓力變化的規(guī)律.

圖1 半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器特性的實(shí)驗(yàn)研究裝置圖

2 利用Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)如表1所示.教材采用的是一般的數(shù)據(jù)處理方法，即列表、描點(diǎn)、連線，并通過作切線的方法根據(jù)截距求得具體的斜率大小.采用手工繪圖的方法不僅操作繁雜、誤差大且無法通過圖像確定函數(shù)表達(dá)式來表示變量間的具體關(guān)系.

表1 半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器在不同壓力下的電阻

利用Origin軟件可以很好地解決這一問題，以O(shè)rigin2017中文版為例介紹其具體應(yīng)用.

2.1 利用非線性曲線擬合功能繪制R-F圖像

打開Origin軟件，A(X)表示坐標(biāo)軸的橫軸，B(Y)表示坐標(biāo)軸的縱軸.分別填入橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的名稱，注釋及F(x)項(xiàng)可不填.由于該實(shí)驗(yàn)探究的是壓力傳感器的電阻隨壓力變化的規(guī)律，故令橫軸為壓力F，單位為N，縱軸為電阻值R，單位為kΩ，并將表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表中，如圖2所示.接著選中A(X)和B(Y)兩列，直接點(diǎn)擊頁(yè)面左下方的散點(diǎn)圖按鈕.出現(xiàn)散點(diǎn)圖后點(diǎn)擊菜單欄的“分析-擬合-非線性曲線擬合-打開對(duì)話框”，彈出的對(duì)話框如圖3所示，軟件提供了多個(gè)類別下的多種函數(shù)，可以逐一選擇Origin軟件提供的函數(shù)類型進(jìn)行擬合，通過對(duì)比擬合結(jié)果(相關(guān)系數(shù)最大、殘差平方和最小)選出最佳的擬合曲線，也可根據(jù)散點(diǎn)圖的大致趨勢(shì)在具體的函數(shù)類型中進(jìn)行選擇.在該實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)比不同函數(shù)的擬合效果，得到R-F圖像如圖4所示.由圖4可知R與F滿足關(guān)系式

圖2 Origin軟件的壓力與電阻數(shù)據(jù)

圖3 自定義函數(shù)選擇

即R與F成指數(shù)型負(fù)相關(guān)關(guān)系，具體參數(shù)可見圖4中的擬合結(jié)果.

圖4 R-F圖像及函數(shù)關(guān)系

2.2 微分求導(dǎo) 繪制圖像

圖圖像

2.3 坐標(biāo)讀取 基于證據(jù)得出結(jié)論

如圖6所示，當(dāng)壓力為1 N時(shí)傳感器的靈敏度為28.35 kΩ/N,壓力為5 N時(shí)傳感器的靈敏度為1.32 kΩ/N，而教材通過手工作切線求得曲線在1 N和5 N處的斜率值分別為24 kΩ/N和1.9 kΩ/N，利用Origin有效提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確度.通過圖6所示不同壓力下傳感器靈敏度的對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力小于1.5 N時(shí)，傳感器的靈敏度較高.于是我們可以基于數(shù)據(jù)得出結(jié)論：為了使傳感器工作比較靈敏，作用在傳感器上的壓力應(yīng)小于1.5 N，因此在實(shí)際應(yīng)用情境中可根據(jù)實(shí)際對(duì)壓力進(jìn)行一定的放大或縮小，使作用在傳感器上的壓力小于1.5 N.

圖6 不同壓力下傳感器靈敏度的比較

3 將Origin軟件引進(jìn)課題研究的價(jià)值探討

通過以上案例的分析，可發(fā)現(xiàn)利用Origin軟件輔助高中物理課題研究具有以下價(jià)值.

(1)拓寬學(xué)生研究的空間，培養(yǎng)科學(xué)研究的基本能力

課題研究與通常的學(xué)生實(shí)驗(yàn)有很大的不同，其研究問題的解決需要學(xué)生經(jīng)歷真正的探究過程.在未知變量間關(guān)系的前提下，利用列表、描點(diǎn)、連線等傳統(tǒng)方法處理數(shù)據(jù)不僅操作繁雜、誤差大，學(xué)生也難以根據(jù)圖像確定變量間的具體函數(shù)關(guān)系.而Origin軟件強(qiáng)大的自定義函數(shù)擬合和數(shù)據(jù)分析功能，有助于學(xué)生快速確定變量間的函數(shù)關(guān)系并可利用微分、積分、峰值分析等功能進(jìn)一步挖掘相關(guān)信息，將學(xué)生從繁雜的數(shù)學(xué)分析中解放出來并拓寬研究的空間，提高了物理學(xué)習(xí)的有效性.此外，通過在課題研究中讓學(xué)生應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)分析軟件，可以鍛煉學(xué)生科學(xué)研究的基本方法與技能.

(2)養(yǎng)成證據(jù)意識(shí)，發(fā)展核心素養(yǎng)

科學(xué)處理、分析與評(píng)估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識(shí)的重要途徑，利用Origin軟件對(duì)課題研究中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析，有助于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)并促進(jìn)核心素養(yǎng)的發(fā)展，體現(xiàn)在：

1)通過函數(shù)擬合功能引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)的視角認(rèn)識(shí)事物的內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系，促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展；

2)利用不同的方法和手段分析和處理數(shù)據(jù)，使學(xué)生能描述與解釋探究結(jié)果和變化趨勢(shì)，并準(zhǔn)確表述、評(píng)估探究過程和結(jié)果，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究能力；

3)通過Origin軟件引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度并正確認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì).