學(xué)科教育論文-數(shù)據(jù)處理軟件Origin在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用①.docVIP

學(xué)科教育論文-數(shù)據(jù)處理軟件Origin在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用【摘要】本文簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)為例介紹如何使用Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、曲線的計(jì)算機(jī)擬合等。運(yùn)用該軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解決了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)多、處理麻煩、手工作圖誤差大等問題。不僅簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理的過程,而且還提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確度,進(jìn)一步拓展了學(xué)生計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)1前言物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是高等院?；瘜W(xué)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一門獨(dú)立基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。與其它化學(xué)實(shí)驗(yàn)課不同,它得到的是一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量計(jì)算,在直角坐標(biāo)紙上作圖。大部分是畫直線,求出截距和斜率,進(jìn)而求得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)表達(dá)式；少部分是畫曲線,有的需要在曲線上作切線,有的需要對(duì)曲線求積分,進(jìn)而求得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)表達(dá)式。學(xué)生只根據(jù)散點(diǎn)圖做直線或曲線,就不可避免地引起主觀誤差,同一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不同學(xué)生處理,結(jié)果相差很大。個(gè)別學(xué)生還修改某些偏離較大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以期得到好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算過程復(fù)雜、作圖費(fèi)事,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告中經(jīng)常出現(xiàn)各種錯(cuò)誤。教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)不得不花費(fèi)大量時(shí)間核查其計(jì)算結(jié)果。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的數(shù)據(jù)處理的方法有:運(yùn)用基本公式計(jì)算；用實(shí)驗(yàn)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(biāo)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(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且誤差較大。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程一般為:對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖或?qū)?shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后作圖作數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合線求擬合直線的斜率或曲線上某點(diǎn)的切線根據(jù)斜率求物理量。這一過程可以用計(jì)算機(jī)處理完成,并能克服手工繪圖費(fèi)時(shí)費(fèi)力、偶然性較大、誤差大的缺點(diǎn)。Origin軟件是MicrocalSoftware公司推出的一個(gè)集圖形繪制、數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計(jì)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(qiáng)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)處理和一般的統(tǒng)計(jì)分析,如計(jì)數(shù)、排序、求平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差、t檢驗(yàn)、快速傅立葉變換、比較兩列均值的差異、進(jìn)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(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)遇到各種類型不同的實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真的整理和必要的分析和檢驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中有著非常重要的地位。下面我們以O(shè)rigin軟件為例,簡(jiǎn)單介紹該軟件在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(shì)。當(dāng)我們把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到MicrocalOrigin軟件的工作表中后,可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序的圖表功能繪制實(shí)驗(yàn)圖形。與手工繪制的圖表相比,計(jì)算機(jī)繪制圖表不但省時(shí)、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(shí)驗(yàn)中,具有一對(duì)共軛溶液的三組分液-液相圖的繪制是非常重要的相圖實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生熟悉三角坐標(biāo)的繪制和使用,并對(duì)三元液系相圖的實(shí)際應(yīng)用有較深的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的相圖繪制是利用三角坐標(biāo)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(diǎn)做各邊的平行線,組成了規(guī)則的網(wǎng)格。在這樣的坐標(biāo)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(shí)費(fèi)力,而且誤差較大、圖形粗糙。利用Origin軟件可以在計(jì)算機(jī)上方便快捷地完成一對(duì)共軛溶液的三組分液液相圖的繪制,繪圖時(shí)需一個(gè)X列值、一個(gè)Y列值和一個(gè)Z列值,且數(shù)據(jù)都是歸一化的。然后在【plot】菜單中點(diǎn)擊【Ternary】,在三角坐標(biāo)中繪制出溶解度點(diǎn)。在圖上點(diǎn)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?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,利用0rigin軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和多種圖形繪制功能完成了一對(duì)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(zhǔn)確、美觀等優(yōu)點(diǎn),而且減少人為因素引起的繪圖偏差,減輕實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(bào)道3。實(shí)際上,Origin軟件在線性擬合和非線性曲線擬合時(shí),可屏蔽某些偏差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn),以降低曲線的偏差,得到更為準(zhǔn)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(jì)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(diǎn)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(jià)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(shí)現(xiàn)。Origin軟件可以進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)圖形進(jìn)行處理,提取有價(jià)值的信息,特別是對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到的譜圖和曲線的處理具有獨(dú)到之處。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的深入發(fā)展,利用Origin軟件可方便地進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的要求。3.1線性擬合當(dāng)繪出散點(diǎn)圖或點(diǎn)線圖后,選擇Analysis菜單中的FitLinear或Tools菜單中的LinearFit,即可對(duì)圖形進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)偏差等數(shù)據(jù)。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jìn)行直線擬合。例如,利用Origin軟件對(duì)“一級(jí)反應(yīng)蔗糖水解反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以ln(t-)對(duì)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(cè)定終了旋光度值,在實(shí)驗(yàn)的實(shí)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(shí)驗(yàn)溫度下測(cè)定,這一過程很費(fèi)時(shí)且易帶進(jìn)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(huì)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(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不因人而異的唯一正確的科學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(xiàng)式擬合、指數(shù)衰減擬合、指數(shù)增長(zhǎng)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(xiàng)式擬合和S形擬合。在Analysis菜單中的Non-linearCurveFit選項(xiàng)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(xiàng)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(jìn)行擬合。所有的擬合結(jié)果包含在自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)和數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可在不測(cè)定反應(yīng)體系終了旋光度的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)條件下,方便、快捷、準(zhǔn)確地獲得反應(yīng)速率系數(shù)及反應(yīng)級(jí)數(shù),建立動(dòng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,為開設(shè)研究性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供了簡(jiǎn)便的切實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以在不測(cè)定反應(yīng)起始和終了電導(dǎo)值的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)條件下,方便、快速、準(zhǔn)確地獲得反應(yīng)速率系數(shù)及反應(yīng)級(jí)數(shù),建立動(dòng)力學(xué)方程6-8。在現(xiàn)行物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中,由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的起始和終了電導(dǎo)值的測(cè)定液與反應(yīng)液不屬同一體系,不僅費(fèi)時(shí)且不可避免地引入誤差,而