傳感器和Origin7.0軟件在電腦控制光強(qiáng)與距離關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用

陳偉明，夏雪琴

（浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山 316000）

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器無法去研究光強(qiáng)與距離的關(guān)系。如果將傳感器與計(jì)算機(jī)及接口電路結(jié)合，應(yīng)用于探究光強(qiáng)與距離關(guān)系的物理實(shí)驗(yàn)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)采集、處理、成像，并用Origin7.0軟件處理實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)，從得到光強(qiáng)與距離的關(guān)系式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣可以提高測(cè)量精度，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 光照度與距離的關(guān)系

點(diǎn)光源發(fā)光時(shí)，光線向周圍4π立體角空間沿直線發(fā)射。假設(shè)一個(gè)點(diǎn)光源產(chǎn)生的光強(qiáng)總能量為Q且在光在向外發(fā)射過程中光能沒有損失，在以光源為中心，距離為R的地方形成一個(gè)封閉球面，則光完全照射在球面上。如果照在物體面元上面dΦ上的光通量為 ，則照度E可表示為［1－2］

對(duì)點(diǎn)光源來說dφ＝dΩ，因而照度

由于光強(qiáng)傳感器的面積固定不變，所以從上式可知，隨著光源距離的增加，受光物體的照度與距離的平方成反比［3－4］。

圖1 光強(qiáng)與距離實(shí)驗(yàn)圖

1.2 光強(qiáng)傳感器

光強(qiáng)傳感器內(nèi)部是有硅光電池作為光照度的傳感器件，在經(jīng)過相應(yīng)的電子放大電路和信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換電路把與光照度成正比的信息傳入電腦，使光強(qiáng)傳感器遠(yuǎn)離點(diǎn)光源，得到照度與距離的數(shù)據(jù)和圖像，從圖像上，可以定性來研究光照度與距離的關(guān)系。

1.3 用origin7.0軟件研究光照度與距離的關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

光強(qiáng)傳感器、實(shí)驗(yàn)架、小燈泡、直流穩(wěn)壓電源、光強(qiáng)傳感器、計(jì)算機(jī)及配套輔助軟件等。

3 實(shí)驗(yàn)方案

（1）調(diào)整傳感器的高度，使其與小燈泡大致等高。

（2）調(diào)整光源與傳感器的距離，利用電腦軟件，點(diǎn)擊“記錄”按鈕開始實(shí)驗(yàn)，移動(dòng)傳感器（從10cm開始）與此同時(shí)，使其沿軌道與小燈泡分部遠(yuǎn)離。

（3）根據(jù)初始的設(shè)定，記下傳感器停下的位置L，傳感器測(cè)量裝置能同步采集該位置的光強(qiáng)，并記錄此位置的光強(qiáng)。

（4）點(diǎn)擊“繪制曲線”按鈕，繪出光強(qiáng)與距離的關(guān)系曲線。雖然傳感器測(cè)量裝置中只能記錄光強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系圖，但可以從曲線的變化中直觀的感受光強(qiáng)與距離的關(guān)系。

（5）對(duì)曲線進(jìn)行“平滑處理”。

（6）用origin7.0軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到光照度與距離的關(guān)系式。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理

（1）傳感器數(shù)據(jù)采集軟件操作得到光強(qiáng)與距離的變化圖2

圖2 光強(qiáng)與距離的變化圖

（2）電腦軟件的曲線處理窗口操作得到光強(qiáng)隨距離的明顯圖3

圖3 光強(qiáng)隨距離變化的明顯圖

（3）用origin7.0軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到光照與距離的關(guān)系式［3－4］

如圖3所示光強(qiáng)隨位移關(guān)系大致呈現(xiàn)反比關(guān)系，但不能確定光強(qiáng)隨位移關(guān)系呈現(xiàn)反比關(guān)系，通過記錄以下數(shù)據(jù)用origin7.0軟件處理，得到光強(qiáng)隨距離的關(guān)系式y(tǒng)＝Bx＋A。

表1 傳感器采集光強(qiáng)與距離的數(shù)據(jù)

如圖4所示，在Graph窗口中生成、的曲線。使用Tool工具條中的Data Selector選擇要擬合的數(shù)據(jù)范圍。激活Graph窗口，選擇Analysis中的Fit Linear，Origin7.0將y、x的曲線擬合為直線，如圖5示。擬合結(jié)果顯示在Results Log窗口中，如圖6所示，圖中是擬合日期、擬合方程、分析類型和計(jì)算結(jié)果。Value是計(jì)算值，Error是標(biāo)準(zhǔn)誤差，R是相關(guān)參數(shù)，N是數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目，P是概率值，SD是擬合的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4 數(shù)據(jù)輸入Data窗口

圖5 線性擬合圖

從圖6可知，直線擬合度為0.999 03，因此這直線擬合非?？煽?。擬合直線為：

圖6 Results Log窗口

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用光強(qiáng)傳感器和電腦軟件做出光強(qiáng)隨距離的曲線經(jīng)過平滑處理，曲線走勢(shì)大致呈現(xiàn)反比關(guān)系。通過采集幾組數(shù)據(jù)利用用Origin7.0軟件做出光強(qiáng)與距離平方倒數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系圖和擬合直線方程，可以直觀的看出截距5.517 37幾乎可以忽略不計(jì)，所以光強(qiáng)與幾乎呈現(xiàn)正比關(guān)系，從而證明了光強(qiáng)與距離平方成反比關(guān)系成立。

當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差，誤差的來源主要有以下幾個(gè)方面。

（1）實(shí)驗(yàn)室的小燈泡功率不能達(dá)到很大，在小燈泡移動(dòng)過程中光強(qiáng)不能按理論值那樣變化。

（2）實(shí)驗(yàn)要探究的小燈泡光強(qiáng)與距離平方的關(guān)系，所以要求以小燈泡為單一光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)室無法做到完全黑暗的條件，有日光和其他光源的干擾。

（3）在實(shí)驗(yàn)過程中需要人為的移動(dòng)光強(qiáng)傳感器，而光強(qiáng)傳感器顯示的是位移與時(shí)間的關(guān)系，在移動(dòng)的過程中無法做到完全勻速。

（4）為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡可能精確，要求小燈泡功率較大，減少其他光源的干擾，移動(dòng)傳感器過程中要盡量保持勻速。

［1］ 竺江峰.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程［M］北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］ 姚啟鈞.光學(xué)教程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 姜王欣，顏淑雯，夏雪琴.逐差法和Origin7.0軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的比較［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012.

［4］ 丁琪等.智能傳感器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012，03：75－79.