现代计算机技术在物理化学实验数据处理中的应用

杜 宁，张静宇，张军锋

(1 海南大学材料与化工学院，海南 海口 570228；2 海南政法职业学院，海南 海口 571100)



现代计算机技术在物理化学实验数据处理中的应用

杜 宁1,2，张静宇1，张军锋1

(1 海南大学材料与化工学院，海南 海口 570228；2 海南政法职业学院，海南 海口 571100)

随着现代计算机技术的发展，将一些大型的软件运用于物理化学实验数据处理方面，会使得物理化学实验数据处理更加方便、快捷、准确。本文运用Origin、Matlab、SAS、EViews以及Excel软件对物理化学中几个典型的实验进行数据处理，并对部分软件应用的优缺点进行了分析总结，这四种数据处理法简便、快捷、效率高，大大减小了计算和手工绘制相图的误差。旨在为物理化学实验数据处理提供参考。

Origin；Matlab；SAS；EViews；Excel；物化数据处理

随着现代计算机技术的发展，越来越多的软件应用于科研工作等各个领域。在物理化学实验数据处理方面，也有许多大型的软件可以运用。

物理化学实验往往获得的实验数据量大，计算比较繁琐，有很多结果是要通过作图得到的。因此，物理化学实验的数据处理是很重要的，处理的准确性对实验结果起重要作用。目前，学生数据处理方法主要是用结合计算器手工计算，然后用坐标纸手工绘图求解，其弊端是易出现较大误差，甚至错误，费时、费力。采用计算机软件处理数据，可以避免繁琐的处理过程，从而使得物理化学实验数据处理更加方便、快捷、准确，还可以提高学生的学习效率和兴趣。

1 SAS软件

SAS(Statistical Analysis System)由美国SAS软件研究所研制，是一套大型集成式应用软件，具有完备的数据存款、管理和分析功能。在数据处理和统计分析领域，SAS被誉为国际权威软件，广泛应用于科研、教育、行政管理、生产和金融等不同领域[1]。下面以实验《阳极极化曲线的测定》为例进行简单运用介绍，原始实验数据记录见表1。

表1 阳极极化曲线原始数据记录表

续表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

运用SAS软件以电流密度为纵坐标，电极电位(相对于参比电极)为横坐标，绘制阳极极化曲线的步骤如下：

①双击图标，启动SAS。

②在编辑器窗口输入如下代码(其中电极电位数据u，电流数据i是根据实验结果确定的)：

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金属极化曲线；run；

③输入代码后按提交快捷键，运行结果如图1所示，得到极化曲线。

图1 用SAS得到的极化曲线

2 EViews 软件

EViews(Econometric Views)是基于Windows平台的统计分析、模型估计、预测、作图、模拟及数据管理工具。EViews能够提供统计分析(各种假设检验、方差分析、主成分分析、因子分析等)、回归建模分析(包括单方程线性、非线性模型，联立方程模型、离散选择模型、时间序列模型、分布滞后模型、向量自回归模型、误差修正模型、ARCH模型、GARCH模型、面板数据模型等)、预测、作图、模型的求解和模拟、数据库管理等强大功能，在系统数据分析与评价、金融分析、经济模型的估计和仿真、宏观经济预测、成本分析和销售预测等众多领域有着广泛的应用。下面以实验《旋光法测定蔗糖水解反应速率常数》为例介绍其使用方法。每隔5 min取一次读数，将不同时刻读取的旋光度值记入表2中；取Δ=30 min，整理有关数据也记入表2中。

操作步骤：下载软件并打开，新建一个变量，选择变量类型为其他，变量1～6，然后点击OK。建立一个空的变量，再输入数据，最后得到数据组。点击quick菜单下的Equation Estimation，在弹出对话框中输入y c t, Method选择LS，然后点击“确定”，(或者直接在命令窗口中输入datayt回车，ls y c t)得到回归直线结果如图2所示。以group的形式打开数据，出现一个对话框，点击左上方的 View，选择 graph，出现 Graph Options对话框，在Specific栏选择Scatter，并在Fitlines栏中选择Regression Line，然后点击“确定”，得到回归直线图(图3)。得到线性回归方程为y=2.269957-0.045591x，拟合优度R2=0.998192，说明拟合效果较好。从线性回归方程可以得到蔗糖水解反应的速率常数值为k=0.0456 min-1。

表2 不同时刻溶液旋光度

图2 回归直线结果

图3 回归曲线图

3 MATLAB软件

Matlab是当今国际上公认的在科技领域方面最为优秀的应用软件和开发环境。在欧美及我国部分高等院校，Matlab已经成为应用线性代数、自动控制理论、数据统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图形处理等高级课程的基本数学工具，是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。Matlab有可靠的数值和符号计算能力、强大的图形和可视化功能、简单易学的程序语言、为数众多的应用工具包，大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，所以它的确为一个高效的科学助手。以实验《二元液系平衡相图》为例说明其使用方法，实验数据记录于表3和表4中。

表3 环己烷-乙醇标准溶液的折射率

表4 不同组成的环己烷-乙醇溶液的折射率

下面是详细操作过程：

①双击软件图标，启动MATLAB。

②在命令窗口输入如下代码 (n为所测对应浓度的折射率数据，c为所测溶液浓度数据，ng为测定气相冷凝的折射率所有数据，nl为测定液相的折射率所有数据，T1为各溶液沸点，dp为当时气压与标准大气压之差) ：

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);%拟合，浓度(c)与折射率(n)的关系p； n1=1.365:0.001:1.414%为了画曲线将自变量定义更精细； c1=polyval(p,n1);%按拟合的多项式p从n1计算c1； plot(n1,c1,n,c,′*′);%画图，从图上比较拟合的直线与测量点，观察拟合效果； ng=[1.35935 1.3714 1.3931 1.3938 1.3966 1.4000 1.4030 1.4072 1.4181 1.42338];%气相冷凝的折射率数据； nl=[1.35935 1.3615 1.3708 1.3809 1.3937 1.4043 1.4187 1.4227 1.4230 1.42338];%液相的折射率数据； cg=polyval(p,ng);%折射率数据计算气相浓度； cl=polyval(p,nl);%折射率数据计算液相浓度； 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;%校正压力对沸点的影响； plot(cg,T,′*′,cg,T,′b′,cl,T,′o′,cl,T,′black′);%用圆圈标出实验点。 title(′环己烷-乙醇气液平衡温度-组成图′); xlabel(′环己烷的摩尔分数c/%′);ylabel(′温度T/℃′);

③输入代码后按Enter键，得到图像如图4，在编辑菜单中选择复制图形，然后就可粘贴至所写的实验报告中了。④利用数据游标确定最低沸点的温度和组成，单击图标，将光标移至曲线最低点，单击可得最低点的温度约为64.4 ℃，组成为49.28%，如图5所示。

图4 气相与液相的平衡曲线

图5 最低恒沸点的温度和组成

4 Origin软件

Origin是由美国MicroCall Inc.总公司(世界一流的高灵敏热量计设计公司)于1991年3月首次推出的基于Windows平台下用于数据分析和工程绘图的软件。该软件不仅包括计算、统计、直线和曲线拟合等各种完善的数据分析功能，而且提供了几十种二维和三维绘图模板，并将高质量科技图形绘制、C语言编程和NAG数学统计功能库集成为一体，其功能强大，是当今世界上最著名的绘图和数据处理软件之一。Origin软件是一个多文档界面应用程序，在使用上，采用直观的、图形化的、面向对象的窗口菜单和工具栏操作，容易上手，是公认的简单易学、操作灵活快速的工程制图软件，可以满足一般用户及高级用户的制图、数据分析和函数拟合的需要。因此在世界各国科技工作者中使用较为普遍。下面以《最大泡压法测定溶液的表面张力》实验数据处理为例介绍其使用方法。表5中记录了测定溶液表面张力实验测得的最大压力差。

表5 表面张力测定数据记录表

图6 σ-c拟合曲线图

图7 Γ-c拟合曲线图

图8 c /Γ-c拟合曲线图

5 Excel软件

Excel软件集数据的编辑、整理、统计分析、图表绘制于一身，利用它处理物理实验数据可以减少枯燥的数据运算，防止运算中的错误；它的图表功能使作图非常容易,并且可以对实验结果进行分析。物理实验中实验数据的处理、不确定度的计算、绘制表格利实验数据的图示，这些工作可以利用高版本Excel中的内置工作表函数得到很方便地解决。以实验《乙酸乙酯皂化反应速率常数及活化能的测定》为例介绍Excel 2010处理数据过程。

表6 不同时间t下的kt值以及值随时间t变化的记录表

注：25 ℃时，测得k0=11.22μS·cm-1，40 ℃时，测得k0=13.98μS·cm-1。

图9 25 ℃时拟合曲线

6 结 语

Origin功能强大，可以拟合曲线，剔除粗差，寻求经验公式；但较少用于图像的仿真和图像的再现，且对计算机的要求相对较高。Matlab具有功能全面，数据处理精确，绘制的图形可从不同角度观看，曲线拟合不受限制等优点；缺点是部分功能的使用需要编程，对使用者的要求较高。Excel功能强大，易学易用，无需编程；但它仅限于直线,对曲线的拟合，误差较大。EViews和SAS是两款较多在特定领域应用的软件。

计算机技术的运用使物理化学实验数据的处理变得快速、准确，大大节省了处理时间。在教学中运用计算机技术来处理实验数据已经得到了大多数教师的肯定和推广，能够提高学生的学习效率和兴趣。

[1] 张晓冉.统计分析及其SAS实现[M].北京:清华大学出版社,2011:1-85.

[2] 唐典勇.计算机辅助物理化学实验[M].北京:化学工业出版社, 2013:19-30,34-36.

[3] 谢祖芳.物理化学实验及其数据处理[M].成都:西南交通大学出版社, 2014:106-107.

[4] 原安娟,王吉有.几种软件在物理实验数据处理中的应用比较[J].大学物理实验,2007,20(3):82-85.

[5] 肖厚贞,庾名槐.SAS在物理化学实验数据处理中的应用[J].实验室研究与探索,2009,28(5):75-76.

[6] 卢森杰.基于EViews6.0软件下的普朗克常量测定[J].物理通报,2012(10):76-80.

[7] 攸频,张晓峒.EViews6实用教程[M].北京:中国财政经济出版社,2008.

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

杜宁(1981-)，女，助教，主要从事基础教学及研究。

张军锋(1976-)，男，副教授，主要从事天然药物开发与基础化学教学及物理化学实验教学的研究。

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1001-9677(2016)024-0117-05