Origin在大学物理实验数据处理和误差分析中的应用
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作者: 党随虎
摘 要：介绍Origin软件在大学物理实验的数据进行处理和分析误差中的利用。针对线性拟合和非线性拟合问题进行了讨论，分析了采用Origin进行数据处理和误差分析的优势。在高等教育进入大众化的现阶段，社会对人才的需求呈现多样化特征，尤其对既有扎实理论基础又有较强实践能力的应用型人才的需求更为迫切。大学物理实验作为理工科专业学生的一门专业基础课，对培养学生观察、分析与发现问题的能力，培养学生动手能力和创新精神起着重要作用。通过该门课程的学习能让学生掌握大学物理实验的基本知识和基本技能，加深对物理学基本概念的理解，提高处理数据与分析误差的能力。
关键词：Origin 数据处理 误差分析
中图分类号：O4-39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0230-01
在高等教育进入大众化的现阶段，社会对人才的需求呈现多样化特征，尤其对既有扎实理论基础又有较强实践能力的应用型人才的需求更为迫切。大学物理实验作为理工科专业学生的一门专业基础课，对培养学生观察、分析与发现问题的能力，培养学生动手能力和创新精神起着重要作用。通过该门课程的学习能让学生掌握大学物理实验的基本知识和基本技能，加深对物理学基本概念的理解，提高处理数据与分析误差的能力[1]。近年来，随着科技发展及课程改革的推进，大学物理实验的基本内容，包括实验项目的内容及实验设备都得到发展和加强，但是数据处理与误差分析这样块，仍然沿用传统内容和方法，比如：实验得到的数据，要求学生在坐标纸上进行手工绘图。手工绘制的曲线粗糙，学生只能对数据获得感性的认识，而曲线中的数学关系很难直接求得，而针对图像做进一步的分析处理，如求曲线的切线，曲线的包围面积计算等就更难实现了[2]。另外，传统的误差分析要进行复杂数字运算会占用学生大量时间，使得误差分析成为学生完成实验报告中最头痛的环节[3]。因此，在大学物理实验中有必要引入高效的数据处理与误差分析方法。
1 Origin在大学物理实验数据处理中的优势
Origin软件是一种科研人员、工程技术人员、高校老师、研究生及理工科本科生经常使用到的软件。Origin是国际科技出版界公认的标准作图软件，可以帮助理工科人士以图像形式跨越语言和专业的障碍实现科研成果的有效交流。除了满足一般的作图需求，Origin还能进行复杂的数据分析、图形处理、函数拟合等工作。这里抛砖引玉，探讨Origin在大学物理实验数据处理和误差分析中的应用，推进大学物理实验在数据处理和误差分析方式方法的改进[4]。
完成实验后，我们需要对实验中测量的数据进行整理、计算和分析，进行去粗取精、去伪存真的工作，从中得到最终的结论和找出实验规律，这一过程就是数据处理。数据处理是实验中一个不可缺少的部分，包括列表法、作图法、图解法和最小二乘法等处理方法。从实验数据出发计算求出经验方程，称为方程的拟合问题。该文以拟合为例，介绍Origin软件在数据处理与误差分析方面的应用。拟合分析方法是处理变量之间相互关系的有效工具，Origin不仅能拟合建立变量间关系的经验公式，而且能利用统计学中的抽样理论来检验样本拟合的可靠性，具体分为拟合程度评价和显著性分析，从而判断检验公式的正确性。根据自变量和因变量函数关系是直线还是曲线，拟合分为线性拟合和非线性拟合。
2 用Origin对实验数据拟合
2.1 线性拟合
线性拟合或线性回归是数据处理中最简单但最重要的一种分析方法，其主要目标是寻找数据集中数据增长的大致方向，以便对未知数据的值做出预测。Origin按以下算法把曲线拟合为直线，对X（自变量）和Y（因变量），线性拟合方程为Y=A+BX，参数A（截距）和B（斜率）由最小二乘法求得。采用Origin软件进行线性拟合时，先建立数据表并导入要进行分析的数据，然后选中要分析的数据，生成散点图。再通过Analysis菜单中的Fit Linear模块进行拟合。拟合前在Fit Linear对话框对拟合参数进行设置，包括输入数据的范围、误差权重及是否产生协方差等。拟合完成会产生一个拟合结果的分析报表。分析报表以表格和图形的形式详细显示了拟合方程式、斜率、截距、标准差、相关系数、方差分析及拟合结果缩略图等信息，利用标准差及方差分析的相关数据就可以进行不确定度计算，这样处理数据非常方便快捷。
2.2 非线性拟合
除了线性拟合外，大部分数据不能处理成直线关系，因此，需要使用非线性函数进行拟合，如光电效应中用到的高斯拟合。Origin软件使用NonLinear Fitting（NLFit）对话框来完成，NLFit工具内置包括指数、多项式、幂函数及S曲线等超过200种拟合函数，能够满足大学物理所有实验的拟合要求，还可以自定义函数拟合。拟合时也是先导入数据，作散点图，打开NLFit对话框，选择拟合函数，再点击Fit拟合即可得到拟合结果，拟合函数的数学公式，误差值及置信值等。根据报表给出的标准差可以计算测量及相关系数的不确定度。利用Origin 8.0以上版本中分析报表不仅可以显示分析结果的“静态”报表，而且更像一种分析模板，也是“动态”报表，即数据源可以动态改变，分析结果会自动重新计算[4]。
3 结语
简要介绍了Origin软件中线性拟合和非线性拟合分析在大学物理实验数据处理的和误差分析中的应用。借助软件的强大功能，避免了大量的数字运算，使得实验的数据处理和不确定计算变得简单，通过数据的统计分析比较，还能使学生加深对曲线物理意义的理解。
参考文献
[1]唐焕芳.大学物理实验[M].成都：西南交通大学出版社，2009.
[2]李锦文，吴先球，熊建文.利用Origin 软件对大学物理实验数据进行曲线分析的两个实例[J].大学物理实验，2010，23（5）：74-76.
[3]段越莹，董雁飞.利用Origin 8.0 软件简化大学物理实验数据的处理[J].大学物理实验，2013，3（26）：91-95.
[4]肖信.origin 8.0 实用教程―― 科技作图与数据分析[M].北京：中国电力出版社，2008.
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