課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 河南科技大學(xué) 物理工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì) 課程名稱(chēng)： 利用origin軟件設(shè)計(jì)介電性能 與溫度、頻率的三維關(guān)系專(zhuān) 業(yè)： 應(yīng)用物理學(xué)班 級(jí)： 應(yīng)物1402姓 名： 袁超時(shí)學(xué) 號(hào)： 7 指導(dǎo)教師： 王曉飛學(xué) 期： 2016-2017日 期： 2017 6 19 專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)摘要Origin是公認(rèn)的簡(jiǎn)單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大的軟件，它的主要功能是數(shù)據(jù)分析和科技繪圖。Origin的數(shù)據(jù)分析包括統(tǒng)計(jì)、信號(hào)處理、圖像處理、峰值分析和曲線擬合等各種完善的數(shù)學(xué)分析能力，科技繪圖包括制作二維、三維、多圖層等等。Origin的這些強(qiáng)大的功能，為我們提供了方便的制圖方式。利用Origi

2、n的便利之處，繪制平面電磁波沿傳播方向的三維圖，首先在Matlab下編輯程序，得到數(shù)據(jù)，再在origin中對(duì)數(shù)據(jù)分析和繪圖，得到想要的圖形。利用origin設(shè)計(jì)介電弛豫過(guò)程，首先建立介電損耗與電場(chǎng)頻率、溫度的關(guān)系模型，通過(guò)C語(yǔ)言編輯一定頻率下介電損耗和溫度關(guān)系模型的程序，得到數(shù)據(jù)，再使用origin進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)分析。利用origin設(shè)計(jì)介電性能與溫度、頻率的三維關(guān)系時(shí)，根據(jù)上面建立的模型，在C語(yǔ)言中編輯不同頻率范圍的介電損耗和溫度關(guān)系模型的程序，得到系列數(shù)據(jù)，再在origin中進(jìn)行科學(xué)繪圖和數(shù)據(jù)分析。關(guān)鍵詞：Cole-cole模型、麥克斯韋方程組、介電弛豫、介質(zhì)損耗 一 課程設(shè)計(jì)目的和意義1

3、.課程設(shè)計(jì)目的a.學(xué)會(huì)使用origin軟件的基本操作；b.學(xué)會(huì)使用origin軟件進(jìn)行科學(xué)繪圖和數(shù)據(jù)分析；c.學(xué)會(huì)使用C語(yǔ)言、Mtablab等編程軟件得到需要的數(shù)據(jù)；d.通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)獨(dú)立編寫(xiě)科技類(lèi)論文，為以后編寫(xiě)畢業(yè)論文打下基礎(chǔ)。2.課程設(shè)計(jì)意義a.有助于加強(qiáng)我們的實(shí)際操作能力，提升對(duì)課本理論知識(shí)的理解，真正理解其內(nèi)涵；b.有助于我們邏輯思維的鍛煉，C語(yǔ)言、Matlab等程序設(shè)計(jì)能有效的訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維、培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析能力和解決問(wèn)題能力；c.有助于提升我們的細(xì)心能力，一個(gè)合理美觀的圖需要我們有耐心有細(xì)心的去做，程序也需要我們反復(fù)的調(diào)試，如果沒(méi)有耐心，可能就調(diào)不出合理的程序； 二 課程設(shè)計(jì)

4、具體內(nèi)容1.學(xué)會(huì)使用Origin軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單繪圖1.1 origin軟件的介紹Origin為OriginLab公司出品的較流行的專(zhuān)業(yè)函數(shù)繪圖軟件，是公認(rèn)的簡(jiǎn)單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大的軟件，既可以滿(mǎn)足一般用戶(hù)的制圖需要，也可以滿(mǎn)足高級(jí)用戶(hù)數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。Origin具有兩大主要的功能：數(shù)據(jù)分析和繪圖。Origin的數(shù)據(jù)分析包括統(tǒng)計(jì)、信號(hào)處理、圖像處理、峰值分析和曲線擬合等各種完善的數(shù)學(xué)分析功能。準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，只需選擇所要分析的數(shù)據(jù)，然后再選擇相應(yīng)的菜單命令即可。Origin的繪圖是基于模板的，Origin本身提供了幾十種二維和三維繪圖模板而且允許用戶(hù)自己定制模板。繪圖

5、時(shí),只要選擇所需要的模板就行。用戶(hù)可以自定義數(shù)學(xué)函數(shù)、圖形樣式和繪圖模板；可以和各種數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、辦公軟件、圖像處理軟件等方便的連接。2.利用origin進(jìn)行簡(jiǎn)單繪圖2.1二維圖的繪制Origin可以畫(huà)出各種各樣的二維圖，例如雙Y軸圖等，下圖一是利用origin畫(huà)出的雙Y軸圖，其數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄一。圖一2.2多圖層二維圖的繪制有時(shí)需要在同一繪圖空間上繪制更多的曲線以構(gòu)成更加復(fù)雜的圖，這些圖具有不同的坐標(biāo)體系、不同的大小、不同的位置，或者一個(gè)圖形是另一個(gè)圖形的局部放大，這就需要使用Layer技術(shù)，繪制多圖層。例如下圖二所示的多圖層。圖二2.3曲線擬合在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論中，經(jīng)常需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)

6、行線性回歸和曲線擬合，來(lái)描述不同變量之間的關(guān)系，找出相應(yīng)函數(shù)的系數(shù)，建立經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)學(xué)模型。如圖三、圖四所示的曲線擬合。圖三圖四2.4三維圖的繪制 在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，有時(shí)為了更好的反應(yīng)各個(gè)變量之間的關(guān)系，需要繪制三維的圖形，origin提供了許多繪制三維圖形的方法，如圖五通過(guò)將工作表轉(zhuǎn)換成矩陣表的方法繪制的三維圖。圖五二、利用origin軟件設(shè)計(jì)平面電磁波1、平面電磁波模型的建立1.1電磁場(chǎng)波動(dòng)方程 一般情況下，電磁場(chǎng)的基本方程是麥克斯韋方程組： E=-Bt H=Dt+J （1） D= B=0在沒(méi)有電荷電流分布的自由空間或均勻的絕緣介質(zhì)中的電磁場(chǎng)在自由空間中，電場(chǎng)合磁場(chǎng)互相激發(fā)，電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)

7、律是齊次的麥克斯韋方程組。即：E=-BtH=Dt （2） D=0 B=0在真空中，D=0E，B=0H，取(2)中的第一式的旋度并利用第二式得: E=-tB=-002Et2 （3）用矢量分析公式及E=0得： E=E-2E=-2E （4）將(4)式代入(3)式得電磁場(chǎng)E的偏微分方程： 2E-002Et2=0 （5） 同理，將(2)式中的電場(chǎng)消去可得磁場(chǎng)B的偏微分方程：2B-002Bt2=0 （6） 式(5)和(6)稱(chēng)為電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程，它的解是各種形式的電磁.1.2亥姆霍茲方程： 電磁波以一定頻率作正玄振蕩時(shí)，稱(chēng)為時(shí)諧電磁波?，F(xiàn)在由傅里葉分析方法得一定頻率的電磁波的復(fù)數(shù)形式：Ex,t=Ex-t B

8、x,t=Bx-t （7） 在時(shí)諧的情況下，又由D=H，B=H，將7式代入2式，消去-t得麥克斯韋方程組： E=H H=-E （8） E=0 H=0取第一式旋度并利用第二式得： E=2E （9） 由旋度公式可將9式變?yōu)椋?2E+k2E=0 （10）上式(10)即為亥姆霍茲方程，其中k=。1.3平面電磁波 電磁波按激發(fā)和傳播條件的不同場(chǎng)強(qiáng)Ex可以有各種形式，現(xiàn)在設(shè)電磁波沿x軸方向傳播，其場(chǎng)強(qiáng)在與x軸正交的平面上各點(diǎn)具有相同的值，即E和B僅與x,t有關(guān)，而與y,Z無(wú)關(guān)，這種電磁波稱(chēng)為平面電磁波，其波陣面為與x軸正交的平面，此時(shí)的亥姆霍茲方程（10）式化為： 2x2Ex+k2Ex=0其中的一個(gè)解為：

9、Ex=E0ikx由（7）式可得時(shí)諧平面波場(chǎng)強(qiáng)的全表示式為： Ex,t=E0eikx-t （11） 現(xiàn)在讓電磁波的傳播方向沿x軸，即可得到在一般坐標(biāo)系下的平面電磁波的表達(dá)式: Ex,t=E0eikx-t2、利用origin軟件畫(huà)平面電磁波的三維圖形根據(jù)建立的平面電磁波的模型，使用matlab編輯程序，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，在使用origin軟件建立電磁波沿x軸傳播的圖形：圖六三、利用origin軟件設(shè)計(jì)介電弛豫過(guò)程1、介電弛豫和介質(zhì)損耗因?yàn)殡娊橘|(zhì)的極化強(qiáng)度是電子位移極化、離子位移極化和固有偶極矩取向極化三種極化機(jī)制的貢獻(xiàn)，當(dāng)電介質(zhì)開(kāi)始受到靜電場(chǎng)作用時(shí)，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，極化強(qiáng)度才能達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)

10、為極化弛豫，所經(jīng)過(guò)的這段時(shí)間稱(chēng)為弛豫時(shí)間。電子位移極化和離子位移極化的弛豫時(shí)間很短，取向極化的弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，所以極化弛豫主要是取向極化造成的。當(dāng)電介質(zhì)受到交變電場(chǎng)的作用時(shí)，由于電場(chǎng)不斷在變化，所以電介質(zhì)中的極化強(qiáng)度也要跟著不斷變化，即極化強(qiáng)度和電位移均將隨時(shí)間作周期性的變化。如果交變電場(chǎng)的頻率足夠低，取向極化能跟得上外加電場(chǎng)的變化，這時(shí)電介質(zhì)的極化過(guò)程與靜電場(chǎng)作用下的極化過(guò)程沒(méi)有多大的區(qū)別。如果交變電場(chǎng)頻率足夠高，電介質(zhì)中的極化強(qiáng)度就會(huì)跟不上外加電場(chǎng)的變化而出現(xiàn)滯后，從而引起介質(zhì)損耗。由資料得介質(zhì)損耗與電場(chǎng)強(qiáng)度的頻率、溫度以及極化機(jī)制等有關(guān)系。2、介電損耗的與溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度的頻率的關(guān)系的模型建

11、立2.1 Cole-cole模型理論Cole-cole模型原本是Cole兄弟模擬電解質(zhì)的介電性質(zhì)與1941年提出來(lái)的，20世紀(jì)70年代W.H.pelton通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得出Cole-cole模型非常適合描述復(fù)電阻率的行為，將該模型運(yùn)用到介電損耗與溫度、頻率的關(guān)系中時(shí)，表達(dá)式如下：tan=Tsin21+2+2cos2 =0expUkBT 式中：=s，其中s=10左右 ：弛豫強(qiáng)度； ：是衰減函數(shù)，其范圍在01之間； 0=8.4410-12s; U=0.84V; kB :玻耳茲曼常數(shù)，kB=1.3810-23JK2.2利用Oringin軟件繪圖 根據(jù)上述建立的介電損耗和頻率、溫度的模型，現(xiàn)假設(shè)在頻率

12、為10kHz的情況下，繪制損耗和溫度的二維圖。首先在C語(yǔ)言軟件中編輯上述的模型，源程序見(jiàn)附錄，將參數(shù)設(shè)為0.80，設(shè)為5666，設(shè)為10kHz，運(yùn)行程序，得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到origin中，在origin中全選剛剛導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊Plot中的Symbol按鈕，即可畫(huà)出損耗tan和溫度T的關(guān)系如圖，四、利用origin軟件設(shè)計(jì)介電性能與溫度、頻率的三維關(guān)系 根據(jù)上面建立的介電損耗與溫度、頻率的模型，及在C語(yǔ)言中編輯的程序。現(xiàn)在稍加修改該程序，使該模型可使用于任一的頻率，修改后的源程序見(jiàn)附錄。參數(shù)設(shè)為0.80，設(shè)為5666，然后運(yùn)行程序，導(dǎo)出數(shù)據(jù)到origin，全選數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊Plot3D Symbol

13、/Bar/Vector3D Scatter,即可得到介電損耗與溫度、頻率的三維關(guān)系，在改變圖中的坐標(biāo)參數(shù)得到如下圖：課程設(shè)計(jì)總結(jié)、感想通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)Origin方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過(guò)親自動(dòng)手制作，使我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。 過(guò)而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測(cè)調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過(guò)而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多

14、問(wèn)題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。在今后社會(huì)的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，一定要不懈努力，不能遇到問(wèn)題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會(huì)及他人對(duì)你的認(rèn)可！ 課程設(shè)計(jì)誠(chéng)然是一門(mén)專(zhuān)業(yè)課，給我很多專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及專(zhuān)業(yè)技能上的提升，同時(shí)又是一門(mén)講道課，一門(mén)辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時(shí)，設(shè)計(jì)讓我感觸很深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我熟悉了Origin；了解了它的操作方法。我認(rèn)為，在這學(xué)期的實(shí)驗(yàn)中，

15、不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)課上，我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂(lè)，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國(guó)提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后變的更加成熟，會(huì)面對(duì)需要面對(duì)的事情。 回顧起此課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)