學(xué)科教育論文-數(shù)據(jù)處理軟件Origin在物理化學(xué)實驗中的應(yīng)用①.doc

學(xué)科教育論文-數(shù)據(jù)處理軟件Origin在物理化學(xué)實驗中的應(yīng)用【摘要】本文簡要介紹了Origin軟件的基本功能和基本使用方法,并以物理化學(xué)實驗為例介紹如何使用Origin軟件處理實驗數(shù)據(jù)、曲線的計算機擬合等。運用該軟件處理實驗數(shù)據(jù)解決了物理化學(xué)實驗中的數(shù)據(jù)多、處理麻煩、手工作圖誤差大等問題。不僅簡化了數(shù)據(jù)處理的過程,而且還提高了分析結(jié)果的準確度,進一步拓展了學(xué)生計算機軟件應(yīng)用能力?！娟P(guān)鍵詞】Origin軟件數(shù)據(jù)處理物理化學(xué)實驗1前言物理化學(xué)實驗是高等院?；瘜W(xué)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一門獨立基礎(chǔ)實驗課程。與其它化學(xué)實驗課不同,它得到的是一系列實驗數(shù)據(jù)。學(xué)生需對數(shù)據(jù)進行大量計算,在直角坐標紙上作圖。大部分是畫直線,求出截距和斜率,進而求得實驗結(jié)果的數(shù)學(xué)表達式；少部分是畫曲線,有的需要在曲線上作切線,有的需要對曲線求積分,進而求得實驗結(jié)果的數(shù)學(xué)表達式。學(xué)生只根據(jù)散點圖做直線或曲線,就不可避免地引起主觀誤差,同一組實驗數(shù)據(jù)不同學(xué)生處理,結(jié)果相差很大。個別學(xué)生還修改某些偏離較大的實驗數(shù)據(jù)以期得到好的實驗結(jié)果。由于實驗數(shù)據(jù)計算過程復(fù)雜、作圖費事,導(dǎo)致實驗報告中經(jīng)常出現(xiàn)各種錯誤。教師批改實驗報告時不得不花費大量時間核查其計算結(jié)果。物理化學(xué)實驗中常見的數(shù)據(jù)處理的方法有:運用基本公式計算；用實驗數(shù)據(jù)作圖；線性擬合,求截距或斜率；非線性曲線擬合。目前學(xué)生多用坐標紙手工作圖；手工擬合直線,求斜率或截距。這種手工作圖的方法不僅費時費力,而且誤差較大。物理化學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理過程一般為:對實驗數(shù)據(jù)作圖或?qū)?shù)據(jù)經(jīng)過計算后作圖作數(shù)據(jù)點的擬合線求擬合直線的斜率或曲線上某點的切線根據(jù)斜率求物理量。這一過程可以用計算機處理完成,并能克服手工繪圖費時費力、偶然性較大、誤差大的缺點。Origin軟件是MicrocalSoftware公司推出的一個集圖形繪制、數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計與分析為一體的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。Origin軟件從它誕生以來,由于強大的數(shù)據(jù)處理和圖形化功能,已被化學(xué)工作者廣泛應(yīng)用。它的主要功能和用途包括:對實驗數(shù)據(jù)進行常規(guī)處理和一般的統(tǒng)計分析,如計數(shù)、排序、求平均值和標準偏差、t檢驗、快速傅立葉變換、比較兩列均值的差異、進行回歸分析等。此外還可用數(shù)據(jù)作圖,用圖形顯示不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,用多種函數(shù)擬合曲線等等1。在物理化學(xué)實驗中經(jīng)常會遇到各種類型不同的實驗數(shù)據(jù),要從這些數(shù)據(jù)中找到有用的化學(xué)信息,得到可靠的結(jié)論,就必須對實驗數(shù)據(jù)進行認真的整理和必要的分析和檢驗。經(jīng)驗告訴我們,數(shù)據(jù)信息的處理與圖形表示在物理化學(xué)實驗中有著非常重要的地位。下面我們以O(shè)rigin軟件為例,簡單介紹該軟件在物理化學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用。2圖表處理數(shù)據(jù)圖表處理是用計算機把一系列數(shù)據(jù)變成直觀可視的圖形,更好地便于用戶分析數(shù)據(jù)的規(guī)律、數(shù)據(jù)變化的趨勢。當我們把實驗數(shù)據(jù)輸入到MicrocalOrigin軟件的工作表中后,可以應(yīng)用計算機程序的圖表功能繪制實驗圖形。與手工繪制的圖表相比,計算機繪制圖表不但省時、省力,而且可視效果更好、精確度更高。例如,在大學(xué)物理化學(xué)實驗中,具有一對共軛溶液的三組分液-液相圖的繪制是非常重要的相圖實驗內(nèi)容之一,在液-液萃取操作中確定各區(qū)的萃取條件極為重要。通過該實驗可以使學(xué)生熟悉三角坐標的繪制和使用,并對三元液系相圖的實際應(yīng)用有較深的認識。傳統(tǒng)的相圖繪制是利用三角坐標紙手工繪制,等邊三角形的每條邊均被等分為100份,再從所得的點做各邊的平行線,組成了規(guī)則的網(wǎng)格。在這樣的坐標紙上即可按照羅塞布姆(H.W.B.Roozeboom)等邊三角形法(平行線法)做圖。這種傳統(tǒng)手工制圖不僅耗時費力,而且誤差較大、圖形粗糙。利用Origin軟件可以在計算機上方便快捷地完成一對共軛溶液的三組分液液相圖的繪制,繪圖時需一個X列值、一個Y列值和一個Z列值,且數(shù)據(jù)都是歸一化的。然后在【plot】菜單中點擊【Ternary】,在三角坐標中繪制出溶解度點。在圖上點右鍵出現(xiàn)【PlotDetails】菜單,選擇【PlotType】框中“Line+Symbol”即得到溶解度曲線。我們在實驗教學(xué)過程中,利用0rigin軟件強大的數(shù)據(jù)處理和多種圖形繪制功能完成了一對共軛溶液的三組分液液相圖的繪制,其用戶界面友好,使用方便,具有高效、準確、美觀等優(yōu)點,而且減少人為因素引起的繪圖偏差,減輕實驗者的工作量2。3曲線擬合提及Origin軟件,許多人都知道它在實驗數(shù)據(jù)作圖上的應(yīng)用。用Origin軟件線性擬合和非線性曲線擬合功能處理數(shù)據(jù)方面卻很少有報道3。實際上,Origin軟件在線性擬合和非線性曲線擬合時,可屏蔽某些偏差較大的數(shù)據(jù)點,以降低曲線的偏差,得到更為準確的結(jié)果,且方便快捷。Origin軟件有如下基本功能:輸入數(shù)據(jù)并作圖。將數(shù)據(jù)計算后作圖。數(shù)據(jù)排序。選擇需要的數(shù)據(jù)范圍作圖。數(shù)據(jù)點屏蔽。Origin軟件的線性擬合和非線性曲線擬合功能。雖然原始數(shù)據(jù)包含了所有有價值的信息,但是,信息質(zhì)量往往不高。僅僅能夠通過肉眼來判斷不同數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系,大量的相關(guān)信息還需要借助不同的數(shù)學(xué)方法得以實現(xiàn)。Origin軟件可以進一步對數(shù)據(jù)圖形進行處理,提取有價值的信息,特別是對物理化學(xué)實驗中經(jīng)常用到的譜圖和曲線的處理具有獨到之處。隨著計算機應(yīng)用的深入發(fā)展,利用Origin軟件可方便地進行作圖、線性擬合、非線性曲線擬合等數(shù)據(jù)處理,能夠滿足物理化學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理的要求。3.1線性擬合當繪出散點圖或點線圖后,選擇Analysis菜單中的FitLinear或Tools菜單中的LinearFit,即可對圖形進行線性擬合。結(jié)果記錄中顯示擬合直線的公式、斜率和截距的值及其誤差,相關(guān)系數(shù)和標準偏差等數(shù)據(jù)。物理化學(xué)實驗中涉及到的圖形類型可分為直線型和曲線型兩種,多數(shù)情況下兩個物理量之間的函數(shù)關(guān)系是線性關(guān)系,或經(jīng)變換后為線性關(guān)系,可用最小二乘法進行直線擬合。例如,利用Origin軟件對“一級反應(yīng)蔗糖水解反應(yīng)”實驗數(shù)據(jù)進行處理,以ln(t-)對t作圖,由斜率可求得速率常數(shù)k(T1)及k(T2),并根據(jù)阿累尼烏斯方程可求該反應(yīng)的活化能E。采用這種線性處理方法必須測定終了旋光度值,在實驗的實際操作中,先要將反應(yīng)體系置一定溫度內(nèi)溫?zé)?0min使反應(yīng)完成后,再冷至實驗溫度下測定,這一過程很費時且易帶進誤差,使數(shù)值不可靠。再者,這種線性處理須把直接變量代換為間接變量,有研究表明4,這種代換的結(jié)果易使誤差增大。3.2非線性擬合但也常會遇到許多不易化為線性模型,或者化為線性模型之后求解引起較大誤差的情況,此時就必須用逐次逼近的擬合方法處理。這樣可完全消除學(xué)生作圖過程中產(chǎn)生的誤差,相同實驗數(shù)據(jù)得到不因人而異的唯一正確的科學(xué)的實驗結(jié)果。Origin提供了多種非線性曲線擬合方式:在Analysis菜單中提供了如下擬合函數(shù):多項式擬合、指數(shù)衰減擬合、指數(shù)增長擬合、S形擬合、Gaussian擬合、Lorentzian合和多峰擬合；在Tools菜單中提供了多項式擬合和S形擬合。在Analysis菜單中的Non-linearCurveFit選項提供了許多擬合函數(shù)的公式和圖形。Analysis菜單中的Non-linearCurveFit選項可讓用戶自定義函數(shù),可根據(jù)用戶自己建立的化學(xué)模型進行擬合。所有的擬合結(jié)果包含在自動彈出的結(jié)果記錄窗口中,包括擬合曲線的公式、各參數(shù)的值以及誤差(Error)、相關(guān)系數(shù)(R)、標準偏差(SD)和數(shù)據(jù)點個數(shù)(N)等數(shù)據(jù)。例如,借助Origin軟件研究用指數(shù)衰減擬合的非線性方法處理蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)實驗數(shù)據(jù),可在不測定反應(yīng)體系終了旋光度的簡化實驗條件下,方便、快捷、準確地獲得反應(yīng)速率系數(shù)及反應(yīng)級數(shù),建立動力學(xué)方程或反應(yīng)速率系數(shù)與酸度關(guān)系式等,優(yōu)化了實驗教學(xué)內(nèi)容,為開設(shè)研究性、設(shè)計性實驗提供了簡便的切實可行的途徑5。又如,借助電腦和Origin軟件用非線性擬合方法處理乙酸乙酯皂化反應(yīng)實驗數(shù)據(jù),可以在不測定反應(yīng)起始和終了電導(dǎo)值的簡化實驗條件下,方便、快速、準確地獲得反應(yīng)速率系數(shù)及反應(yīng)級數(shù),建立動力學(xué)方程6-8。在現(xiàn)行物理化學(xué)實驗教材中,由于實驗測定的起始和終了電導(dǎo)值的測定液與反應(yīng)液不屬同一體系,不僅費時且不可避免地引入誤差,而