刘慧++边健++丰远++徐琳
摘 要：对Origin软件在“光电效应测普朗克常数”以及“音频信号的光纤传输技术”实验数据处理中的运用进行了分析比较，有助于发挥其在近代物理实验课程中的促进作用。Origin软件形象化的图形及强大的数据拟合功能为近代物理实验的理论分析与实验教学提供便利，可以引导学生开展探究性学习，加深对物理规律及内涵的理解，从而提高教学质量。
关键词：Origin软件 近代物理实验 数据处理
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（c）-0216-04
Origin为美国OriginLab公司出品的较流行的专业函数绘图软件，是公认的简单易学、操作灵活、功能强大的软件。当前流行的图形可视化和数据分析软件有Matlab、Mathmatica和Maple等。这些软件功能强大，可满足科技工作中的许多需要，但使用这些软件需要一定的计算机编程知识和矩阵知识，并熟悉其中大量的函数和命令。而使用Origin就像使用Excel和Word那样简单，只需点击鼠标，选择菜单命令就可以完成大部分工作，获得满意的结果。Origin具有两大主要功能：数据分析和绘图。准备好数据后，进行数据分析时，只需选择所要分析的数据，然后再选择相应的菜单命令即可[1]。
Origin软件已被广泛用于大学物理实验数据的处理与分析中。例如，对实验数据进行峰值分析、曲线拟合、数据比较等[2-5]。计算机软件处理物理实验数据有助于实验教学的改进。软件的运用能提高实验数据处理的精度；将学生从复杂费时的数据计算及图表描述中解放出来，从而能将更多的精力放在对实验操作的研究、实验现象的探索以及物理内涵的理解上。在学生已经掌握基本的手工物理实验数据处理的基础上，考虑近代物理实验的课程特色与教学目标，专业实验数据处理软件在其中的运用对于教学效果的提升就显得更为必要[6]。本文实例描述Origin 8.6软件在近代物理实验“光电效应测普朗克常数、音频信号的光纤传输技术”中的典型运用。
1 光电效应实验-普朗克常量的测定
1.1 实验原理
用合适频率的光照射到金属表面上，有电子从表面逸出的现象称为光电效应[7-8]。实验中将光电管两极A和K间加上反向电压UKA，它对光电子运动起减速作用。当反向电压UKA等于U0时，光电流降为零，此电压U0称为截止电压，此时光电子的初动能全部用于克服反向电场的作用，即：
（1）
根据爱因斯坦光电方程：
（2）
其中逸出功，ν0为截止频率。上面两式结合可以得到：
（3）
选择不同频率的入射光，测量不同频率下的截止电压，做出曲线。由直线的斜率可以求出普朗克常数。
1.2 实验数据测量
本实验所用的仪器是ZHY-GD-4型智能光电效应（普朗克常数）实验仪。测量截止电压U0时，“伏安特性曲线/截止电压测试”状态键应为截止电压测试。手动测量时，使“手动/自动”模式键处于手动模式，将直径为4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上，从低到高按步长为0.01V调节电压（从-2～0V），寻找电流为零时对应的UKA，以其绝对值作为该波长对应的U0。依次换上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的滤光片，重复测量以上步骤。再将“手动/自动”模式键处于自动模式，再测量相应的截止电压。得到的数据如表1所示。
1.3 Origin软件处理实验数據
打开Origin软件，点击菜单命令：[File]→[New] →[Project]，新建一个项目，程序会自动新建一个Book1，把νi数据输入到A（X）列，把U0i数据输入到B（Y）列中。全部选定工作表数据，点击菜单命令：[Plot]→[Symbol]→[Scatter]，创建Graph1，即为光电效应的U0i-νi散点图。选择菜单命令：[Analysis]→[Fitting]→[Linear Fit]进行散点的线性拟合，如图1（a）所示。拟合出斜率为k=h/e=3.9718×10-15J·s/C，再根据电子电量e=1.602×10-19C，这样可以计算出普朗克常数h=6.363×10-34J·s。根据普朗克常数的公认值h0=6.626×10-34J·s，计算出实验的相对误差为3.969%。图1（b）按照同样的方法拟合出自动测量的斜率k=3.967×10-15J·s/C，计算出普朗克常数h=6.355×10-34 J·s，计算出实验的相对误差为4.090%。可以看出手动测量的数据更为精确一些。Origin软件依照最小二乘法求算拟合直线斜率和截距，可以避免传统手工计算或作图法的费时费力，操作简便却具有更高的准确度。
2 音频信号的光纤传输技术
2.1 实验原理
一个音频信号光强调制光纤传输系统主要包括光信号发送器、传输光纤和光信号接收器三部分[8]。
半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称LED的电光特性。使用LED时应先给它一个适当的偏置电流，其值等于这一特性曲线线性部分中点对应的电流值，而调制电流的峰—峰值应尽可能大地处于这一电光特性的线性范围内。
光电二极管SPD的偏置电压是指无光照时二极管两端所承受的电压，光电二极管的伏-安特性可用下式表示：
（4）
其中I0是无光照的反向饱和电流，V是电压，q为电子电量，k为玻耳兹曼常数，T是PN结温度，IL是无偏压状态下光照时的短路电流。
无偏短路状态下，短路电流与入照光功率具有很好的线性关系，这一关系称为光电二极管的光电特性，这一特性在I-P坐标系中的斜率：
（μA/μW） （5）endprint
定义为光电二极管的响应度，它是表征光电二极管光电转换效率的重要参数。
2.2 实验数据测量及Origin软件处理实验数据
本实验采用YOF—C型音频信号光纤传输技术实验仪。首先测试了LED的电光特性，数据如表2所示。
打开Origin软件，点击菜单命令：[File]→[New]→ [Project]，新建一个项目，程序会自动新建一个Book1，把Id数据输入到A（X）列，把P0数据输入到B（Y）列中。全部选定工作表数据，点击菜单命令：[Plot]→[Line+Symbol]，创建Graph1，即半導体发光二极管LED的电光特性曲线。点击工具栏中的[Data Selector]按钮选取曲线中的线性部分，选择菜单命令：[Analysis]→[Fitting]→[Linear Fit]进行这部分数据的线性拟合，如图2所示。从图中可以看出，在Id为6～20mA范围内曲线成较好的线性关系。这样可以得到光功率P0均分的5个工作点对应的驱动电流值，如表3所示。
测量LED的工作电流为0，I1～I5时所对应的6种情况下的SPD的反向伏安特性曲线。所测得的数据如表4所示，用origin作图得到的反向伏安特性曲线如图3所示。从图中可以看出，在反向偏压工作状态下，在外加电压的很大的范围内，光电流与入照光的光功率均具有很好的线性关系。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，因此SPD成为光电传感器件。
再由无偏压状态下的电流值和工作点的光功率值数据，用origin软件绘出SPD的光电特性曲线，如图4所示。从图中可以看出，短路电流与入照光功率具有很好的线性关系，这一关系称为光电二极管的光电特性，用软件拟合出其斜率为0.29μA/μW，处于0.25～0.5μA/μW典型值范围内。
实验通过对LED-传输光纤组件的电光特性的测量，得出了在合适的偏置电流下，其具有线性。也验证了硅光电二极管可以把传输光纤出射端输出的光信号转变成与成正比的光电流。
3 结语
本文探讨了Origin 8.6软件在对近代物理实验“光电效应测普朗克常数”以及“音频信号的光纤传输技术”数据分析中的实际运用。利用计算机专业软件进行实验数据处理、图形绘制分析等，与手工作图相比，具有信息量大、准确等优点，能够大幅度提高工作效率，提高学生的学习积极性。更重要的是，计算机软件绘图及分析有助于具有一定物理基础的理工类学生深入理解实验内涵及机理，能着重培养学生的求知探索精神和科学素养。
参考文献
[1]叶卫平，方安平，于本方.Origin 7.0科技绘图及数据分析[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2]张卫山，杨善恒，鲁应涤，等.基于Origin的弗兰克-赫兹实验数据分[J].赤峰学院学报：自然科学版，2012，28（9）： 6-7.
[3]毕升，高国棉.基于Origin软件的Franck-Hertz实验数据处理[J].大学物理实验，2014，27（2）：98-100.
[4]金园园，卢成，李根全.Origin 8.0在普朗克常数测定实验中的应用[J].物理与工程，2010，20（6）：31-34.
[5]曹卫军，赖康荣.基于Origin的波动光学实验仿真[J].大学物理，2015，34（1）：49-52.
[6]乐松.Origin软件在近代物理实验数据处理中的应用[J].大学物理实验，2011，24（6）：78-81.
[7]东南大学等七所工科院校编.物理学[M].5版.高等教育出版社，2006.
[8]汪洪，赵青生，主编.大学物理实验[M].北京：高等教育出版社2016.endprint
