Origin軟件在中學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用
——以“自由落體運動”實驗教學(xué)為例

曾 心 劉健智

(湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410081)

中學(xué)階段常用處理物理實驗數(shù)據(jù)的方法有加權(quán)平均法、作圖法、逐差法等,但是物理實驗往往為了避免誤差,通常會采集大量實驗數(shù)據(jù),學(xué)生面對枯燥繁多的數(shù)據(jù)在處理的過程中會很容易失去耐心和興趣,所以一些簡單、便捷的應(yīng)用軟件受到了很多學(xué)校和教師的廣泛關(guān)注．除了利用Excel和DIS數(shù)字化物理實驗軟件之外,還有一種功能齊全,并且操作簡單的應(yīng)用軟件——Origin軟件．

Origin軟件是美國Origin Lab公司出品的一款軟件,具有簡單易學(xué)的特點,再加上其采用直觀、圖形化、面向?qū)ο蟮拇翱诓藛魏凸ぞ邫诓僮?目前已經(jīng)成為公認(rèn)的最快、最靈活、使用最容易的數(shù)據(jù)分析繪圖軟件[1]．該軟件基于最小二乘法為基礎(chǔ)的線性回歸分析,可以高效準(zhǔn)確地擬合出線性關(guān)系變量的直線方程,同時給出斜率k和截距b的值,包括誤差值和校正決定系數(shù)(相似度)等數(shù)據(jù),能為改進(jìn)中學(xué)物理實驗教學(xué)提供幫助[2]．

本文以高中必修一“自由落體運動”的實驗為例,詳細(xì)介紹Origin軟件在物理實驗數(shù)據(jù)處理中的具體應(yīng)用．

1 自由落體運動實驗原理簡介

圖1 自由落體實驗裝置

自由落體運動的實驗需要用到以下器材:電火花打點計時器、長木板、紙帶(長度需要超過40 cm)、重錘以及海綿墊．實驗裝置如圖1所示,讓重錘接在紙帶底端,穿過打點計時器，然后使整個裝置處在豎直平面．準(zhǔn)備就緒后,啟動打點計時器,讓紙帶和重錘從靜止開始下落在海綿墊上,關(guān)閉開關(guān)得到紙帶．

電火花打點計時器的打點頻率是50 Hz,所以紙帶記錄的兩個點之間的位移所花的時間間隔是0.02 s．通過測量紙帶上每一個點與起始點之間的距離,得到位移和時間的關(guān)系．需要注意的是:為了實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,需要舍棄紙帶前端比較密集的點,找一個清晰的點作為起始點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．

2 利用Origin軟件處理自由落體實驗數(shù)據(jù)

學(xué)生在探究自由落體運動的規(guī)律時,利用打點計時器測量出重錘在相同時間內(nèi)所運動的位移大小,再根據(jù)位移和速度之間的關(guān)系計算得到速度和時間的關(guān)系,最后通過描點得到速度—時間圖．從圖像上可以看到自由落體運動是一個初速度為0的勻加速直線運動,其中斜率為加速度大小,也就是重力加速度大小,約是9.8 m/s2．

2.1 繪出速度—時間圖像

利用Origin軟件可以直接把測量數(shù)據(jù)繪成坐標(biāo)圖,由于測量所得的數(shù)據(jù)是位移和時間的關(guān)系,所以需要在繪制成位移—時間圖后再作進(jìn)一步轉(zhuǎn)換,繪出速度—時間圖．

打開Origin軟件,其中A(x)列表示坐標(biāo)軸的橫軸,B(y)列表示坐標(biāo)軸的縱軸,在Long name一欄輸入橫縱坐標(biāo)的名稱,Units一欄輸入單位符號,Comments為評價內(nèi)容可選擇不填．接著把通過實驗所測量出來的數(shù)據(jù)填入表格,由于測量所得的是位移的大小,所以就令橫坐標(biāo)為時間軸,縱坐標(biāo)為位移軸,如表1所示．其中每一列數(shù)據(jù)的小數(shù)點位數(shù)設(shè)置可以直接點擊該列的表頭,在Properties設(shè)置欄里,點擊Digits,選擇Set Decimal Places=,然后再輸入想要設(shè)置的小數(shù)位大小即可,根據(jù)測量情況,將時間軸設(shè)置小數(shù)點至后兩位,位移軸設(shè)置小數(shù)點至后一位．

表1 位移與時間的數(shù)據(jù)

圖2 位移與時間的圖像

接著選擇表格,直接點擊頁面左下角的Line+Symbol按鈕,在彈出來的Plot Setup框中,勾選X時間和Y位移項,再點擊OK即可直接得到位移—時間圖像,如圖2所示．為使圖像更利于學(xué)生理解,可以將描點從原點開始,直接單擊圖像中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo),把起始點設(shè)為零點即可．

圖3 速度與時間的圖像

做好位移—時間圖后,點擊Origin菜單欄中的Analysis,在下拉項中選中Mathematics,再選中包含項的Differentiate,點擊open dialog,在彈出來的窗口中將 Derivative Order選擇為1,Recalculate選擇為auto,其他參數(shù)默認(rèn),即可得到速度—時間圖像,如圖3所示．

2.2 將速度—時間圖進(jìn)行擬合

圖4 擬合后的速度與時間圖像

實驗存在誤差在所難免,因此在處理實驗數(shù)據(jù)時,如果其測量數(shù)據(jù)存在異常值,可能導(dǎo)致整個實驗的可靠性降低,所以需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合．點擊Origin菜單欄中的Analysis,在下拉項中選中Mathematics,再選中包含項的Fitting,點擊Linear Fit,在彈出的對話框里直接選擇默認(rèn)參數(shù),點擊OK就可以得到速度—時間擬合圖,如圖4所示．

從圖4中可以看出,在誤差允許的范圍內(nèi),速度與時間成正比,即自由落體運動是勻加速直線運動．需要說明的是:由于我們沒有從紙帶上最開始的點開始測量距離,因此速度—時間圖像沒有經(jīng)過坐標(biāo)原點．

用通過線性擬合得到的圖結(jié)果可得出,該擬合直線穿越過數(shù)據(jù)點,也就是說數(shù)據(jù)點合理地分布在線的兩側(cè),滿足誤差所規(guī)定的范圍,再通過擬合后的數(shù)據(jù)表格(如表2所示)可以得出速度—時間圖的斜率大小為970.83 cm/s2,通過單位換算可以得到該實驗測量的加速度為9.7 m/s2左右,擬合程度高達(dá)99.8%．在實驗誤差允許范圍內(nèi),我們認(rèn)為測量出的加速度接近重力加速度9.8 m/s2,于是我們可以得出結(jié)論:自由落體運動是初速度為0的勻加速度直線運動,其加速度為重力加速度．

3 Origin軟件在其他實驗中的應(yīng)用

Origin軟件的作用主要是數(shù)據(jù)制圖和數(shù)據(jù)分析．對于物理實驗中的各種圖表均能勝任,且有高分辯率的輸出性能;其數(shù)據(jù)分析包括計算、數(shù)理統(tǒng)計、排序、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、平滑、擬合、頻譜分析等[3]．中學(xué)物理階段有很多實驗都可以利用Origin軟件去進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,主要分為線性問題和非線性問題的處理．

3.1 處理線性問題

在處理線性問題時,例如勻速直線運動中處理位移和速度的關(guān)系,霍爾效應(yīng)中處理霍爾電壓和通電電流的關(guān)系等，可以直接將所測量的數(shù)據(jù)填入Origin軟件的起始表格中,然后通過菜單工具欄中的plot進(jìn)行繪圖操作,再通過Analysis中的Fitting對圖形進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到擬合后的數(shù)據(jù)關(guān)系以及趨勢線擬合程度．

3.2 處理非線性問題

在處理非線性問題時,通常需要用到多項式擬合,比如探究功和速度的變化關(guān)系,彈力和彈簧伸長量的關(guān)系以及用單擺測定重力加速度等實驗．需要在Origin軟件中利用Nonlinear Curve Fit的命令,創(chuàng)建function函數(shù),輸入函數(shù)代碼,保存該函數(shù)之后再利用所保存的函數(shù)進(jìn)行繪圖,同樣可以通過Fitting進(jìn)行擬合,得到數(shù)據(jù)關(guān)系和擬合程度．

利用Origin軟件,在數(shù)據(jù)處理的過程中,除了能讓學(xué)生可以直觀地通過圖像探究和理解掌握物理規(guī)律,同樣還能讓學(xué)生掌握現(xiàn)代信息技術(shù)在物理學(xué)習(xí)中的有效性,增強學(xué)生未來學(xué)習(xí)的自主鉆研能力,更好地體現(xiàn)了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位．

4 Origin軟件的教學(xué)價值:培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展,計算機(jī)在人們的生活中占有越來越高的比重．高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出:“物理教學(xué)要積極利用已有的數(shù)字媒體,主動開發(fā)適合教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的信息產(chǎn)品,拓寬物理學(xué)習(xí)的途徑,促進(jìn)物理教學(xué)方式改革．”[4]Origin是一款在物理教學(xué)過程中比較陌生但卻具有較強實用性的軟件,利用該軟件輔助教學(xué)能夠在不同方面培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)．

4.1 利用數(shù)據(jù)繪圖功能,形成物理觀念的建構(gòu)

學(xué)生對物理知識的掌握不能只是停留在物理概念的表面,而是需要通過不斷加強對概念和規(guī)律的理解,來提升學(xué)生運用物理觀念解決問題的能力．物理圖像是一種特殊、形象的語言和工具,是研究物理問題的重要手段.圖像的特點是簡明、清晰、形象直觀、動態(tài)過程清晰,靈活應(yīng)用圖像法往往能起到事半功倍的效果,幫助高中生更好地理解物理概念、物理規(guī)律,促使他們更加清晰、簡明地分析物理問題、提高解決問題的準(zhǔn)確率[5]．

以勻加速直線運動為例,將實驗收集的數(shù)據(jù)輸入Origin軟件,點擊Line按鈕可以將原本枯燥的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成為直觀的位移—時間圖或速度—時間圖．通過對圖像加以解釋,學(xué)生可以清楚地知道:“位移—時間圖線的斜率表示速度;速度—時間圖線的斜率表示加速度,其面積表示位移”,學(xué)生就可以從對運動公式的理解進(jìn)一步過渡到對圖像的理解,從而深化關(guān)于運動學(xué)的物理觀念．

以彈力和彈簧的伸長關(guān)系為例,將實驗數(shù)據(jù)輸入Origin軟件,同樣利用Plot工具欄轉(zhuǎn)化成彈力—伸長量的圖像．通過對圖像處理和分析,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生推出胡克定律,加強學(xué)生對力的觀念的理解,這種理解不是直接從書上獲取知識,而是自己發(fā)現(xiàn)和得出知識．

以探究功和速度的變化關(guān)系的實驗處理為例,將測出的實驗數(shù)據(jù)填入功能函數(shù)中,轉(zhuǎn)化成圖像后,再通過對數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行分析,可確定小車做的功和小車的速度平方成正比,幫助學(xué)生對頭腦中已有知識進(jìn)行深入挖掘,從而推進(jìn)學(xué)生物理觀念中能量的建構(gòu)．

4.2 利用函數(shù)擬合功能,推動科學(xué)思維的啟發(fā)

學(xué)生使用Origin軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合處理時,可以進(jìn)一步加強其對物理學(xué)中基礎(chǔ)理論、理想模型和經(jīng)驗事實之間關(guān)系的理解．

以單擺模型為例,測量時可多次改變擺長,收集多組數(shù)據(jù),繪圖得擺長和時間平方的圖像,再利用Origin 軟件對擺長L和時間t的平方作Fitting線性擬合,擬合后可直接從擬合相關(guān)系數(shù)得出擬合度的高低,再對斜率進(jìn)行g(shù)=3600π2k計算,可以得出重力加速度．利用單擺法和Origin軟件線性擬合求斜率,加深了學(xué)生對物理模型的理解,發(fā)展了學(xué)生科學(xué)推理能力,幫助學(xué)生驗證科學(xué)論證,從而推進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的啟發(fā)．

4.3 利用圖像轉(zhuǎn)換功能,提升科學(xué)探究的能力

學(xué)生具有科學(xué)探究的意識,能在真實情境中提出物理問題,形成猜想和假設(shè),利用科學(xué)方法獲取和處理信息,形成結(jié)論,以及對實驗探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力[6]．

以自由落體運動為例,學(xué)生在探究過程中,首先對運動的規(guī)律進(jìn)行猜想和假設(shè),通過Origin軟件對實驗進(jìn)行處理之后,能得出運動過程中位移和時間的關(guān)系,但是光有位移—時間圖像不能直接得出下落運動的性質(zhì),所以必須對圖像再進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理．學(xué)生需要將其位移—時間圖轉(zhuǎn)換成斜率圖去研究速度和時間的關(guān)系,再通過學(xué)生之間的分析與交流,進(jìn)一步推出自由落體的運動性質(zhì)．基于事實依據(jù)對所表征的關(guān)于物體下落運動的模型進(jìn)行糾正和檢驗,增強反思和評估能力,從而形成對自由落體模型完整的認(rèn)知和使用．利用便捷的教學(xué)方法有效地激發(fā)學(xué)生的探索精神,讓學(xué)生都體會探究過程中的樂趣,增強學(xué)生科學(xué)探究的能力．

4.4 利用剔除異常數(shù)據(jù)功能,培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

在物理演示實驗中,由于混雜著若干異常值,可能導(dǎo)致整個實驗的可靠性降低,甚至實驗結(jié)論的錯誤[7]．所以對于一些不能判斷的異常數(shù)據(jù),可以充分應(yīng)用現(xiàn)代信息軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷創(chuàng)新過程,從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神．

以牛頓第二定律中探究加速度和質(zhì)量與力的關(guān)系為例,在Origin軟件中擬定函數(shù),然后代入數(shù)據(jù),利用Analysis/Fit工具查看擬合結(jié)果,再根據(jù)檢驗準(zhǔn)則將異常數(shù)據(jù)消除．Origin軟件可以用拉依達(dá)準(zhǔn)則、肖維勒準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則以及狄拉克準(zhǔn)則等多種方法剔除異常數(shù)據(jù),根據(jù)不同實驗特征實驗數(shù)據(jù)選擇不同的檢驗準(zhǔn)則進(jìn)行操作,幫助學(xué)生彌補可能由于實驗器材不足所造成的限制,提高學(xué)生學(xué)習(xí)欲望,學(xué)生在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)上,形成對科學(xué)技術(shù)至上的態(tài)度和責(zé)任感[8]．

5 結(jié)語

本文主要通過展示Origin軟件在物理實驗中的數(shù)據(jù)處理,充分體現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用,鍛煉了學(xué)生的觀察、分析和推理能力,提升了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和技術(shù)應(yīng)用的操作探究能力,這也是把核心素養(yǎng)融入學(xué)科教育的重要關(guān)鍵．但是信息技術(shù)的應(yīng)用并不能完全取代課堂實驗數(shù)據(jù)處理,學(xué)生若是只用計算機(jī)去處理數(shù)據(jù),其計算能力和手動繪圖能力會隨之下降,所以教師在利用Origin軟件進(jìn)行課堂教學(xué)時,應(yīng)該盡量將傳統(tǒng)教學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)兩者之間形成有效的結(jié)合,從而不斷推進(jìn)課堂教學(xué)改革,提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率．