學科教育論文-數據處理軟件Origin在物理化學實驗中的應用①.doc

學科教育論文-數據處理軟件Origin在物理化學實驗中的應用【摘要】本文簡要介紹了Origin軟件的基本功能和基本使用方法,并以物理化學實驗為例介紹如何使用Origin軟件處理實驗數據、曲線的計算機擬合等。運用該軟件處理實驗數據解決了物理化學實驗中的數據多、處理麻煩、手工作圖誤差大等問題。不僅簡化了數據處理的過程,而且還提高了分析結果的準確度,進一步拓展了學生計算機軟件應用能力?！娟P鍵詞】Origin軟件數據處理物理化學實驗1前言物理化學實驗是高等院校化學及相關專業(yè)學生的一門獨立基礎實驗課程。與其它化學實驗課不同,它得到的是一系列實驗數據。學生需對數據進行大量計算,在直角坐標紙上作圖。大部分是畫直線,求出截距和斜率,進而求得實驗結果的數學表達式；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,進而求得實驗結果的數學表達式。學生只根據散點圖做直線或曲線,就不可避免地引起主觀誤差,同一組實驗數據不同學生處理,結果相差很大。個別學生還修改某些偏離較大的實驗數據以期得到好的實驗結果。由于實驗數據計算過程復雜、作圖費事,導致實驗報告中經常出現各種錯誤。教師批改實驗報告時不得不花費大量時間核查其計算結果。物理化學實驗中常見的數據處理的方法有:運用基本公式計算；用實驗數據作圖；線性擬合,求截距或斜率；非線性曲線擬合。目前學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。物理化學實驗數據處理過程一般為:對實驗數據作圖或對數據經過計算后作圖作數據點的擬合線求擬合直線的斜率或曲線上某點的切線根據斜率求物理量。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、數據的處理、統(tǒng)計與分析為一體的綜合應用系統(tǒng)。Origin軟件從它誕生以來,由于強大的數據處理和圖形化功能,已被化學工作者廣泛應用。它的主要功能和用途包括:對實驗數據進行常規(guī)處理和一般的統(tǒng)計分析,如計數、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。此外還可用數據作圖,用圖形顯示不同數據之間的關系,用多種函數擬合曲線等等1。在物理化學實驗中經常會遇到各種類型不同的實驗數據,要從這些數據中找到有用的化學信息,得到可靠的結論,就必須對實驗數據進行認真的整理和必要的分析和檢驗。經驗告訴我們,數據信息的處理與圖形表示在物理化學實驗中有著非常重要的地位。下面我們以Origin軟件為例,簡單介紹該軟件在物理化學實驗數據處理中的應用。2圖表處理數據圖表處理是用計算機把一系列數據變成直觀可視的圖形,更好地便于用戶分析數據的規(guī)律、數據變化的趨勢。當我們把實驗數據輸入到MicrocalOrigin軟件的工作表中后,可以應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,在大學物理化學實驗中,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,且數據都是歸一化的。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【PlotDetails】菜單,選擇【PlotType】框中“Line+Symbol”即得到溶解度曲線。我們在實驗教學過程中,利用0rigin軟件強大的數據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據作圖上的應用。用Origin軟件線性擬合和非線性曲線擬合功能處理數據方面卻很少有報道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據點,以降低曲線的偏差,得到更為準確的結果,且方便快捷。Origin軟件有如下基本功能:輸入數據并作圖。將數據計算后作圖。數據排序。選擇需要的數據范圍作圖。數據點屏蔽。Origin軟件的線性擬合和非線性曲線擬合功能。雖然原始數據包含了所有有價值的信息,但是,信息質量往往不高。僅僅能夠通過肉眼來判斷不同數據之間的內在邏輯聯(lián)系,大量的相關信息還需要借助不同的數學方法得以實現。Origin軟件可以進一步對數據圖形進行處理,提取有價值的信息,特別是對物理化學實驗中經常用到的譜圖和曲線的處理具有獨到之處。隨著計算機應用的深入發(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據處理,能夠滿足物理化學實驗數據處理的要求。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,相關系數和標準偏差等數據。物理化學實驗中涉及到的圖形類型可分為直線型和曲線型兩種,多數情況下兩個物理量之間的函數關系是線性關系,或經變換后為線性關系,可用最小二乘法進行直線擬合。例如,利用Origin軟件對“一級反應蔗糖水解反應”實驗數據進行處理,以ln(t-)對t作圖,由斜率可求得速率常數k(T1)及k(T2),并根據阿累尼烏斯方程可求該反應的活化能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,先要將反應體系置一定溫度內溫熱40min使反應完成后,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。這樣可完全消除學生作圖過程中產生的誤差,相同實驗數據得到不因人而異的唯一正確的科學的實驗結果。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:多項式擬合、指數衰減擬合、指數增長擬合、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的公式和圖形。Analysis菜單中的Non-linearCurveFit選項可讓用戶自定義函數,可根據用戶自己建立的化學模型進行擬合。所有的擬合結果包含在自動彈出的結果記錄窗口中,包括擬合曲線的公式、各參數的值以及誤差(Error)、相關系數(R)、標準偏差(SD)和數據點個數(N)等數據。例如,借助Origin軟件研究用指數衰減擬合的非線性方法處理蔗糖轉化反應實驗數據,可在不測定反應體系終了旋光度的簡化實驗條件下,方便、快捷、準確地獲得反應速率系數及反應級數,建立動力學方程或反應速率系數與酸度關系式等,優(yōu)化了實驗教學內容,為開設研究性、設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實驗數據,可以在不測定反應起始和終了電導值的簡化實驗條件下,方便、快速、準確地獲得反應速率系數及反應級數,建立動力學方程6-8。在現行物理化學實驗教材中,由于實驗測定的起始和終了電導值的測定液與反應液不屬同一體系,不僅費時且不可避免地引入誤差,而