学科教育论文-数据处理软件Origin在物理化学实验中的应用①.doc

学科教育论文-数据处理软件Origin在物理化学实验中的应用【摘要】本文简要介绍了Origin软件的基本功能和基本使用方法,并以物理化学实验为例介绍如何使用Origin软件处理实验数据、曲线的计算机拟合等。运用该软件处理实验数据解决了物理化学实验中的数据多、处理麻烦、手工作图误差大等问题。不仅简化了数据处理的过程,而且还提高了分析结果的准确度,进一步拓展了学生计算机软件应用能力。【关键词】Origin软件数据处理物理化学实验1前言物理化学实验是高等院校化学及相关专业学生的一门独立基础实验课程。与其它化学实验课不同,它得到的是一系列实验数据。学生需对数据进行大量计算,在直角坐标纸上作图。大部分是画直线,求出截距和斜率,进而求得实验结果的数学表达式；少部分是画曲线,有的需要在曲线上作切线,有的需要对曲线求积分,进而求得实验结果的数学表达式。学生只根据散点图做直线或曲线,就不可避免地引起主观误差,同一组实验数据不同学生处理,结果相差很大。个别学生还修改某些偏离较大的实验数据以期得到好的实验结果。由于实验数据计算过程复杂、作图费事,导致实验报告中经常出现各种错误。教师批改实验报告时不得不花费大量时间核查其计算结果。物理化学实验中常见的数据处理的方法有:运用基本公式计算；用实验数据作图；线性拟合,求截距或斜率；非线性曲线拟合。目前学生多用坐标纸手工作图；手工拟合直线,求斜率或截距。这种手工作图的方法不仅费时费力,而且误差较大。物理化学实验数据处理过程一般为:对实验数据作图或对数据经过计算后作图作数据点的拟合线求拟合直线的斜率或曲线上某点的切线根据斜率求物理量。这一过程可以用计算机处理完成,并能克服手工绘图费时费力、偶然性较大、误差大的缺点。Origin软件是MicrocalSoftware公司推出的一个集图形绘制、数据的处理、统计与分析为一体的综合应用系统。Origin软件从它诞生以来,由于强大的数据处理和图形化功能,已被化学工作者广泛应用。它的主要功能和用途包括:对实验数据进行常规处理和一般的统计分析,如计数、排序、求平均值和标准偏差、t检验、快速傅立叶变换、比较两列均值的差异、进行回归分析等。此外还可用数据作图,用图形显示不同数据之间的关系,用多种函数拟合曲线等等1。在物理化学实验中经常会遇到各种类型不同的实验数据,要从这些数据中找到有用的化学信息,得到可靠的结论,就必须对实验数据进行认真的整理和必要的分析和检验。经验告诉我们,数据信息的处理与图形表示在物理化学实验中有着非常重要的地位。下面我们以Origin软件为例,简单介绍该软件在物理化学实验数据处理中的应用。2图表处理数据图表处理是用计算机把一系列数据变成直观可视的图形,更好地便于用户分析数据的规律、数据变化的趋势。当我们把实验数据输入到MicrocalOrigin软件的工作表中后,可以应用计算机程序的图表功能绘制实验图形。与手工绘制的图表相比,计算机绘制图表不但省时、省力,而且可视效果更好、精确度更高。例如,在大学物理化学实验中,具有一对共轭溶液的三组分液-液相图的绘制是非常重要的相图实验内容之一,在液-液萃取操作中确定各区的萃取条件极为重要。通过该实验可以使学生熟悉三角坐标的绘制和使用,并对三元液系相图的实际应用有较深的认识。传统的相图绘制是利用三角坐标纸手工绘制,等边三角形的每条边均被等分为100份,再从所得的点做各边的平行线,组成了规则的网格。在这样的坐标纸上即可按照罗塞布姆(H.W.B.Roozeboom)等边三角形法(平行线法)做图。这种传统手工制图不仅耗时费力,而且误差较大、图形粗糙。利用Origin软件可以在计算机上方便快捷地完成一对共轭溶液的三组分液液相图的绘制,绘图时需一个X列值、一个Y列值和一个Z列值,且数据都是归一化的。然后在【plot】菜单中点击【Ternary】,在三角坐标中绘制出溶解度点。在图上点右键出现【PlotDetails】菜单,选择【PlotType】框中“Line+Symbol”即得到溶解度曲线。我们在实验教学过程中,利用0rigin软件强大的数据处理和多种图形绘制功能完成了一对共轭溶液的三组分液液相图的绘制,其用户界面友好,使用方便,具有高效、准确、美观等优点,而且减少人为因素引起的绘图偏差,减轻实验者的工作量2。3曲线拟合提及Origin软件,许多人都知道它在实验数据作图上的应用。用Origin软件线性拟合和非线性曲线拟合功能处理数据方面却很少有报道3。实际上,Origin软件在线性拟合和非线性曲线拟合时,可屏蔽某些偏差较大的数据点,以降低曲线的偏差,得到更为准确的结果,且方便快捷。Origin软件有如下基本功能:输入数据并作图。将数据计算后作图。数据排序。选择需要的数据范围作图。数据点屏蔽。Origin软件的线性拟合和非线性曲线拟合功能。虽然原始数据包含了所有有价值的信息,但是,信息质量往往不高。仅仅能够通过肉眼来判断不同数据之间的内在逻辑联系,大量的相关信息还需要借助不同的数学方法得以实现。Origin软件可以进一步对数据图形进行处理,提取有价值的信息,特别是对物理化学实验中经常用到的谱图和曲线的处理具有独到之处。随着计算机应用的深入发展,利用Origin软件可方便地进行作图、线性拟合、非线性曲线拟合等数据处理,能够满足物理化学实验数据处理的要求。3.1线性拟合当绘出散点图或点线图后,选择Analysis菜单中的FitLinear或Tools菜单中的LinearFit,即可对图形进行线性拟合。结果记录中显示拟合直线的公式、斜率和截距的值及其误差,相关系数和标准偏差等数据。物理化学实验中涉及到的图形类型可分为直线型和曲线型两种,多数情况下两个物理量之间的函数关系是线性关系,或经变换后为线性关系,可用最小二乘法进行直线拟合。例如,利用Origin软件对“一级反应蔗糖水解反应”实验数据进行处理,以ln(t-)对t作图,由斜率可求得速率常数k(T1)及k(T2),并根据阿累尼乌斯方程可求该反应的活化能E。采用这种线性处理方法必须测定终了旋光度值,在实验的实际操作中,先要将反应体系置一定温度内温热40min使反应完成后,再冷至实验温度下测定,这一过程很费时且易带进误差,使数值不可靠。再者,这种线性处理须把直接变量代换为间接变量,有研究表明4,这种代换的结果易使误差增大。3.2非线性拟合但也常会遇到许多不易化为线性模型,或者化为线性模型之后求解引起较大误差的情况,此时就必须用逐次逼近的拟合方法处理。这样可完全消除学生作图过程中产生的误差,相同实验数据得到不因人而异的唯一正确的科学的实验结果。Origin提供了多种非线性曲线拟合方式:在Analysis菜单中提供了如下拟合函数:多项式拟合、指数衰减拟合、指数增长拟合、S形拟合、Gaussian拟合、Lorentzian合和多峰拟合；在Tools菜单中提供了多项式拟合和S形拟合。在Analysis菜单中的Non-linearCurveFit选项提供了许多拟合函数的公式和图形。Analysis菜单中的Non-linearCurveFit选项可让用户自定义函数,可根据用户自己建立的化学模型进行拟合。所有的拟合结果包含在自动弹出的结果记录窗口中,包括拟合曲线的公式、各参数的值以及误差(Error)、相关系数(R)、标准偏差(SD)和数据点个数(N)等数据。例如,借助Origin软件研究用指数衰减拟合的非线性方法处理蔗糖转化反应实验数据,可在不测定反应体系终了旋光度的简化实验条件下,方便、快捷、准确地获得反应速率系数及反应级数,建立动力学方程或反应速率系数与酸度关系式等,优化了实验教学内容,为开设研究性、设计性实验提供了简便的切实可行的途径5。又如,借助电脑和Origin软件用非线性拟合方法处理乙酸乙酯皂化反应实验数据,可以在不测定反应起始和终了电导值的简化实验条件下,方便、快速、准确地获得反应速率系数及反应级数,建立动力学方程6-8。在现行物理化学实验教材中,由于实验测定的起始和终了电导值的测定液与反应液不属同一体系,不仅费时且不可避免地引入误差,而起始电导值对结果处理高度敏感,它的测定误差会显著影响最终结果的准确性。因此,这种对间接变量的线性处理具有一定的局限性和弊病。实际过程中变量之间的关系大多是非线性的,若采用对直接变量非线性处理则不必测定起始和终了量值,提高了测定结果的精密度和准确度。改进后的实验简化了实验操作,明显缩短了实验时间,让学生得到了计算机应用技能及非线性处理数据技能的训练。又