現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

杜 寧，張靜宇，張軍鋒

(1 海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，海南 ?？?570228；2 海南政法職業(yè)學(xué)院，海南 ?？?571100)

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現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

杜 寧1,2，張靜宇1，張軍鋒1

(1 海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，海南 ?？?570228；2 海南政法職業(yè)學(xué)院，海南 ?？?571100)

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將一些大型的軟件運(yùn)用于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面，會(huì)使得物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更加方便、快捷、準(zhǔn)確。本文運(yùn)用Origin、Matlab、SAS、EViews以及Excel軟件對(duì)物理化學(xué)中幾個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)部分軟件應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)，這四種數(shù)據(jù)處理法簡(jiǎn)便、快捷、效率高，大大減小了計(jì)算和手工繪制相圖的誤差。旨在為物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理提供參考。

Origin；Matlab；SAS；EViews；Excel；物化數(shù)據(jù)處理

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的軟件應(yīng)用于科研工作等各個(gè)領(lǐng)域。在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面，也有許多大型的軟件可以運(yùn)用。

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)往往獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量大，計(jì)算比較繁瑣，有很多結(jié)果是要通過(guò)作圖得到的。因此，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理是很重要的，處理的準(zhǔn)確性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果起重要作用。目前，學(xué)生數(shù)據(jù)處理方法主要是用結(jié)合計(jì)算器手工計(jì)算，然后用坐標(biāo)紙手工繪圖求解，其弊端是易出現(xiàn)較大誤差，甚至錯(cuò)誤，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。采用計(jì)算機(jī)軟件處理數(shù)據(jù)，可以避免繁瑣的處理過(guò)程，從而使得物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更加方便、快捷、準(zhǔn)確，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和興趣。

1 SAS軟件

SAS(Statistical Analysis System)由美國(guó)SAS軟件研究所研制，是一套大型集成式應(yīng)用軟件，具有完備的數(shù)據(jù)存款、管理和分析功能。在數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析領(lǐng)域，SAS被譽(yù)為國(guó)際權(quán)威軟件，廣泛應(yīng)用于科研、教育、行政管理、生產(chǎn)和金融等不同領(lǐng)域[1]。下面以實(shí)驗(yàn)《陽(yáng)極極化曲線的測(cè)定》為例進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)用介紹，原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 陽(yáng)極極化曲線原始數(shù)據(jù)記錄表

續(xù)表1

140 26040 84150 21040 8160 16040 86170 11040 86180 06040 68190 01040 6920-0 01040 3121-0 06040 3622-0 11040 3723-0 16040 424-0 21040 4425-0 26040 4926-0 31040 4827-0 36040 428-0 41040 3829-0 46040 3730-0 51040 3831-0 56040 3932-0 61040 3833-0 66040 434-0 71040 4135-0 76040 5436-0 81042 1637-0 860412 338-0 910429 239-0 960449 140-1 010471 4941-1 060492 742-1 1104114 57

運(yùn)用SAS軟件以電流密度為縱坐標(biāo)，電極電位(相對(duì)于參比電極)為橫坐標(biāo)，繪制陽(yáng)極極化曲線的步驟如下：

①雙擊圖標(biāo)，啟動(dòng)SAS。

②在編輯器窗口輸入如下代碼(其中電極電位數(shù)據(jù)u，電流數(shù)據(jù)i是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的)：

datajihuaqux?ian；inputu1i；u=-u1；cards；0 91040 090 86041 920 81044 470 76048 380 710412 650 66046 250 61041 310 56040 310 51040 480 46040 560 41040 880 36040 980 31040 800 26040 840 21040 800 16040 860 11040 860 06040 680 01040 69-0 01040 31-0 06040 36-0 11040 37-0 16040 40-0 21040 44-0 26040 49-0 31040 48-0 36040 40-0 41040 38-0 46040 37-0 51040 38-0 56040 39-0 61040 38-0 66040 40-0 71040 41-0 76040 54-0 81042 16-0 860412 30-0 910429 20-0 960449 10-1 010471 49-1 060492 70-1 1104114 57；procgplotdata=jihuaquxian；ploti?u；symbolc=blackv=stari=spline；title金屬極化曲線；run；

③輸入代碼后按提交快捷鍵，運(yùn)行結(jié)果如圖1所示，得到極化曲線。

圖1 用SAS得到的極化曲線

2 EViews 軟件

EViews(Econometric Views)是基于Windows平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)分析、模型估計(jì)、預(yù)測(cè)、作圖、模擬及數(shù)據(jù)管理工具。EViews能夠提供統(tǒng)計(jì)分析(各種假設(shè)檢驗(yàn)、方差分析、主成分分析、因子分析等)、回歸建模分析(包括單方程線性、非線性模型，聯(lián)立方程模型、離散選擇模型、時(shí)間序列模型、分布滯后模型、向量自回歸模型、誤差修正模型、ARCH模型、GARCH模型、面板數(shù)據(jù)模型等)、預(yù)測(cè)、作圖、模型的求解和模擬、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等強(qiáng)大功能，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)、金融分析、經(jīng)濟(jì)模型的估計(jì)和仿真、宏觀經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)、成本分析和銷售預(yù)測(cè)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。下面以實(shí)驗(yàn)《旋光法測(cè)定蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)》為例介紹其使用方法。每隔5 min取一次讀數(shù)，將不同時(shí)刻讀取的旋光度值記入表2中；取Δ=30 min，整理有關(guān)數(shù)據(jù)也記入表2中。

操作步驟：下載軟件并打開，新建一個(gè)變量，選擇變量類型為其他，變量1～6，然后點(diǎn)擊OK。建立一個(gè)空的變量，再輸入數(shù)據(jù)，最后得到數(shù)據(jù)組。點(diǎn)擊quick菜單下的Equation Estimation，在彈出對(duì)話框中輸入y c t, Method選擇LS，然后點(diǎn)擊“確定”，(或者直接在命令窗口中輸入datayt回車，ls y c t)得到回歸直線結(jié)果如圖2所示。以group的形式打開數(shù)據(jù)，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，點(diǎn)擊左上方的 View，選擇 graph，出現(xiàn) Graph Options對(duì)話框，在Specific欄選擇Scatter，并在Fitlines欄中選擇Regression Line，然后點(diǎn)擊“確定”，得到回歸直線圖(圖3)。得到線性回歸方程為y=2.269957-0.045591x，擬合優(yōu)度R2=0.998192，說(shuō)明擬合效果較好。從線性回歸方程可以得到蔗糖水解反應(yīng)的速率常數(shù)值為k=0.0456 min-1。

表2 不同時(shí)刻溶液旋光度

圖2 回歸直線結(jié)果

圖3 回歸曲線圖

3 MATLAB軟件

Matlab是當(dāng)今國(guó)際上公認(rèn)的在科技領(lǐng)域方面最為優(yōu)秀的應(yīng)用軟件和開發(fā)環(huán)境。在歐美及我國(guó)部分高等院校，Matlab已經(jīng)成為應(yīng)用線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、圖形處理等高級(jí)課程的基本數(shù)學(xué)工具，是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。Matlab有可靠的數(shù)值和符號(hào)計(jì)算能力、強(qiáng)大的圖形和可視化功能、簡(jiǎn)單易學(xué)的程序語(yǔ)言、為數(shù)眾多的應(yīng)用工具包，大大降低了對(duì)使用者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言知識(shí)的要求，所以它的確為一個(gè)高效的科學(xué)助手。以實(shí)驗(yàn)《二元液系平衡相圖》為例說(shuō)明其使用方法，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表3和表4中。

表3 環(huán)己烷-乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液的折射率

表4 不同組成的環(huán)己烷-乙醇溶液的折射率

下面是詳細(xì)操作過(guò)程：

①雙擊軟件圖標(biāo)，啟動(dòng)MATLAB。

②在命令窗口輸入如下代碼 (n為所測(cè)對(duì)應(yīng)濃度的折射率數(shù)據(jù)，c為所測(cè)溶液濃度數(shù)據(jù)，ng為測(cè)定氣相冷凝的折射率所有數(shù)據(jù)，nl為測(cè)定液相的折射率所有數(shù)據(jù)，T1為各溶液沸點(diǎn)，dp為當(dāng)時(shí)氣壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓之差) ：

n=[1.42338 1.4149 1.4032 1.3908 1.3750 1.35935]; c=[100 80 60 40 20 0]; p=polyfit(n,c,2);%擬合，濃度(c)與折射率(n)的關(guān)系p； n1=1.365:0.001:1.414%為了畫曲線將自變量定義更精細(xì)； c1=polyval(p,n1);%按擬合的多項(xiàng)式p從n1計(jì)算c1； plot(n1,c1,n,c,′*′);%畫圖，從圖上比較擬合的直線與測(cè)量點(diǎn)，觀察擬合效果； ng=[1.35935 1.3714 1.3931 1.3938 1.3966 1.4000 1.4030 1.4072 1.4181 1.42338];%氣相冷凝的折射率數(shù)據(jù)； nl=[1.35935 1.3615 1.3708 1.3809 1.3937 1.4043 1.4187 1.4227 1.4230 1.42338];%液相的折射率數(shù)據(jù)； cg=polyval(p,ng);%折射率數(shù)據(jù)計(jì)算氣相濃度； cl=polyval(p,nl);%折射率數(shù)據(jù)計(jì)算液相濃度； T1=[80.7 75.4 67.7 65.5 64.4 64.5 65.4 67.6 73.5 78.5]; dp=0;%P-PO T=T1+T1/10.*dp;%校正壓力對(duì)沸點(diǎn)的影響； plot(cg,T,′*′,cg,T,′b′,cl,T,′o′,cl,T,′black′);%用圓圈標(biāo)出實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。 title(′環(huán)己烷-乙醇?xì)庖浩胶鉁囟?組成圖′); xlabel(′環(huán)己烷的摩爾分?jǐn)?shù)c/%′);ylabel(′溫度T/℃′);

③輸入代碼后按Enter鍵，得到圖像如圖4，在編輯菜單中選擇復(fù)制圖形，然后就可粘貼至所寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中了。④利用數(shù)據(jù)游標(biāo)確定最低沸點(diǎn)的溫度和組成，單擊圖標(biāo)，將光標(biāo)移至曲線最低點(diǎn)，單擊可得最低點(diǎn)的溫度約為64.4 ℃，組成為49.28%，如圖5所示。

圖4 氣相與液相的平衡曲線

圖5 最低恒沸點(diǎn)的溫度和組成

4 Origin軟件

Origin是由美國(guó)MicroCall Inc.總公司(世界一流的高靈敏熱量計(jì)設(shè)計(jì)公司)于1991年3月首次推出的基于Windows平臺(tái)下用于數(shù)據(jù)分析和工程繪圖的軟件。該軟件不僅包括計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、直線和曲線擬合等各種完善的數(shù)據(jù)分析功能，而且提供了幾十種二維和三維繪圖模板，并將高質(zhì)量科技圖形繪制、C語(yǔ)言編程和NAG數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)功能庫(kù)集成為一體，其功能強(qiáng)大，是當(dāng)今世界上最著名的繪圖和數(shù)據(jù)處理軟件之一。Origin軟件是一個(gè)多文檔界面應(yīng)用程序，在使用上，采用直觀的、圖形化的、面向?qū)ο蟮拇翱诓藛魏凸ぞ邫诓僮鳎菀咨鲜?，是公認(rèn)的簡(jiǎn)單易學(xué)、操作靈活快速的工程制圖軟件，可以滿足一般用戶及高級(jí)用戶的制圖、數(shù)據(jù)分析和函數(shù)擬合的需要。因此在世界各國(guó)科技工作者中使用較為普遍。下面以《最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力》實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理為例介紹其使用方法。表5中記錄了測(cè)定溶液表面張力實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大壓力差。

表5 表面張力測(cè)定數(shù)據(jù)記錄表

圖6 σ-c擬合曲線圖

圖7 Γ-c擬合曲線圖

圖8 c /Γ-c擬合曲線圖

5 Excel軟件

Excel軟件集數(shù)據(jù)的編輯、整理、統(tǒng)計(jì)分析、圖表繪制于一身，利用它處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以減少枯燥的數(shù)據(jù)運(yùn)算，防止運(yùn)算中的錯(cuò)誤；它的圖表功能使作圖非常容易,并且可以對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、不確定度的計(jì)算、繪制表格利實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖示，這些工作可以利用高版本Excel中的內(nèi)置工作表函數(shù)得到很方便地解決。以實(shí)驗(yàn)《乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)及活化能的測(cè)定》為例介紹Excel 2010處理數(shù)據(jù)過(guò)程。

表6 不同時(shí)間t下的kt值以及值隨時(shí)間t變化的記錄表

注：25 ℃時(shí)，測(cè)得k0=11.22μS·cm-1，40 ℃時(shí)，測(cè)得k0=13.98μS·cm-1。

圖9 25 ℃時(shí)擬合曲線

6 結(jié) 語(yǔ)

Origin功能強(qiáng)大，可以擬合曲線，剔除粗差，尋求經(jīng)驗(yàn)公式；但較少用于圖像的仿真和圖像的再現(xiàn)，且對(duì)計(jì)算機(jī)的要求相對(duì)較高。Matlab具有功能全面，數(shù)據(jù)處理精確，繪制的圖形可從不同角度觀看，曲線擬合不受限制等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是部分功能的使用需要編程，對(duì)使用者的要求較高。Excel功能強(qiáng)大，易學(xué)易用，無(wú)需編程；但它僅限于直線,對(duì)曲線的擬合，誤差較大。EViews和SAS是兩款較多在特定領(lǐng)域應(yīng)用的軟件。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用使物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理變得快速、準(zhǔn)確，大大節(jié)省了處理時(shí)間。在教學(xué)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)得到了大多數(shù)教師的肯定和推廣，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和興趣。

[1] 張曉冉.統(tǒng)計(jì)分析及其SAS實(shí)現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:1-85.

[2] 唐典勇.計(jì)算機(jī)輔助物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2013:19-30,34-36.

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Application of Modern Computer Technology in Data Processing of Physical Chemistry Experiment

DUNing1,2,ZHANGJing-yu1,ZHANGJun-feng1

(1 Materials and Chemical Engineering, Hainan University, Hainan Haikou 570228; 2 Hainan Vocational College of Political Science and Law, Hainan Haikou 571100, China)

With the development of modern computer technology, some large software used in data processing of physical chemistry experiment would make the physical chemistry experimental data processing more convenient, fast and accurate. Origin, Matlab, SAS, EViews and Excel software were applied to experimental chemistry of several typical physical data processing and optimization. The disadvantages of some software applications were analyzed and summarized. These methods were simple, rapid and efficient, which greatly reduced the error of calculation and manual drawing of phase diagram. The aim was to provide reference for physical and chemical experiment data processing.

Origin; Matlab; SAS; EViews; Excel; physical and chemical data processing

杜寧(1981-)，女，助教，主要從事基礎(chǔ)教學(xué)及研究。

張軍鋒(1976-)，男，副教授，主要從事天然藥物開發(fā)與基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)及物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究。

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1001-9677(2016)024-0117-05