Origin软件数据提取及处理在物理、化学实验中的应用

王雅君 张佳颖 姜桂元 李宇明 崔国庆

[摘           要]  Origin软件能够精准高效地分析处理实验数据，现多用于物理、化学实验中。以溶液表面张力的测定为例，对Origin软件在物理、化学实验中的应用进行介绍。经实践表明，Origin软件的数据处理具有便捷、简单、准确率高等优势，同时适用性较强，能有效提升学生学习效率和对相关知识的综合应用能力。

[关    键   词]  Origin软件;物理、化学实验;表面张力

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2021）36-0106-03

教育部高等教育司《关于开展新工科研究与实践的通知》出台以来，在全国范围内的新工科教育研究热潮迅速兴起，成为教育行业所关注的新热点。在加快建设新工科教育体系的时代背景下，物理、化学实验作为物理和化学课程的重要组成部分，其关注度不断增高，成为实践教育的重要组成部分，是连接实验教育和理论教学的桥梁，也是连接基础实验与专业实验的桥梁。物理、化学实验能发挥学生的主动性和创造性，学生在实验探究中获得的乐趣是任何奖励所无法比拟的。物理、化学实验是传递物理化学知识、培养实践能力、形成正确价值观的最好载体之一，在培养学生构建良好的理论知识体系和提高学生实践操作能力的过程中，注重两者之间的联系至关重要，更是物理、化学等工科学习的基础和关键;在培养学生的实验操作技能和理论联系实际能力方面具有举足轻重的作用，是化工专业重要的基础实验课程。由此可见，在现代教育教学体系中，必须要立足于新工科教育和建设的理念及要求，注重养成具备专业知识和实践操作能力的创新性应用技术人才。在工科课程教育中，要主动且积极引入全新的教育手段和教育模式。所以，结合新工科建设的要求，为培养应用创新型化工专业人才，我们应对物理、化学实验教学引起高度重视，并引入新的教学方法和手段。在物理、化学实验中引入Origin数据处理软件，鼓励学生在学习过程中强化专业知识与实践活动之间的联系，既要充分掌握工科实验的各项技能，还要强化自身选取、处理与分析各项数据信息的能力，养成学生在实验中的认真态度和严谨作风。让学生通过理论联系实际，既要学习实验技能，又能提高学生对数据选取、处理及分析的能力。然而，通过大数据的调查结果显示，大多数学生表明只会通过详细的实验步骤进行实验操作，再通过实验仪器的操作得到实验数据，怎么从已知数据中进一步处理分析得到样品信息的这一步骤却无从下手。所以，需要学生了解Origin数据处理软件的功能和优势所在以及在物理、化学实验中应用和软件使用操作，借此工具解决实验数据分析的一大难题。该软件的使用已逐渐渗透到教学、科研等领域。本论文基于Origin软件，进行了物理、化学课程中数据处理分析，并在案例中介绍了软件数据处理的操作方法。

一、Origin軟件基本介绍及其在物理、化学实验中的应用

计算机软件随着现代科学技术的发展，已经被广泛应用在各个行业发展与建设中，教育工作与现代科学技术的结合，是推动教育质量提升的新途径。计算机辅助教学软件在教育工作中所发挥的积极作用正在不断被关注。随着科技的发展，计算软件辅助教学的优越性越来越引起人们的广泛关注。目前应用于实验教学的软件有Excel、MATLAB、SAS、Origin等，在这些数据处理软件中，当属Origin软件具有较广的应用范围，正是因为该软件操作步骤十分简单，并且在处理数据的时候获得的结果较为精准，所以受到青睐。

Origin软件是目前应用范围较广、操作较为简单的数据处理软件之一。Origin Lab公司，最初于1992年开发了Origin数据处理软件，可用于数据2D/3D作图、拟合以及分析等，快速读取ASCII、Excel以及SPC等多种格式数据，且可以直接对图像中的数据进行提取。Origin的两大突出功能是数据分析和绘制图表，其软件界面有直观的窗口菜单和操作工具栏，在数据处理和绘图过程中不需编写程序代码，使用时非常方便，可结合各种类型插件以充分满足大部分实验数据处理、分析及拟合的要求。由于软件操作简便、功能众多，很快成为大众认可的快捷、易学、实用的数据分析工具。例如，赵艳等人[1]探究了在大学化学实验活动中，Origin软件线性拟合性能和绘制相图的性能。孟卫[2]在化学实验中利用Origin软件，通过实验分析的比较可靠的实验结果，同时也将处理数据信息的质量得以提升。王忠巍等人[3]在化学实验中使用Origin软件分析精馏实验数据，展开分段拟合分析。赵波等人[4]在化工原理离心泵实验教学期间，将Origin软件应用其中，验证了化学实验结果的精准度。张红医[5]等人在酸碱溶液氢离子平衡浓度计算中，使用Origin软件的求根公式完成，不仅节省了时间，还提高了计算结果精准度。另外，以量化实验结果为依据的实验教学，使得教师在评价学生实验水平和实验质量的时候，更加具有客观性和公正性。在新课程教育改革的时代背景之下，教师要积极创新教学手段，完善教学方法，在处理物理、化学实验数据信息的时候，要灵活地使用Origin软件，并且提高软件使用的熟练度。所以，本文将通过物理、化学实验中测定溶液表面张力为案例，串联起物理、化学实验中Origin软件提取数据信息、处理数据信息和分析数据信息的各个环节，生动且形象地处理教学内容。

二、溶液表面张力测定实验基本概述

本实验目的在于使用最大气泡法测定表面张力，再以吉布斯公式为依据，完成多种不同浓度溶液的饱和吸附量计算和表面吸附量计算。凡作用于液体表面，使液体表面积缩小的力，便被称作为表面张力。当溶液处于一定的压力影响和温度影响下，其表面张力、浓度以及表面吸附量三者之间所形成的关系如下所示：称其为表面张力。在一定温度和压力下，溶液的表面张力、溶液的表面吸附量、溶液的浓度三者有如下关系式：

式中：Γ表示的含义为表面吸附量（mol·m-2），γ表示的含义为表面张力（N·m-1），c表示的含义为溶液的浓度（mol·L-1）。

首先，将待测液转移至试管中，毛细管竖直放置在试管液面上，确保液面和端面位置呈相切的状态，此时液面将会沿着毛细管壁缓缓上升。

之后再将抽气瓶的活塞打开，使水滴慢慢落下，毛细管内外液面形成压差，气泡于毛细管口内壁逐渐形成。当毛细管内气体将气泡压出且刚好是半球状时，压力差达到最大值，由U形压力计读出△p。根据Yonug-Laplace方程可计算得到表面张力γ：

式中：r为毛细管的内半径（m）。

首先，在制作γ-c曲线图时，要合理使用表面张力数据和溶液浓度数据，根据作图法的原理和实际含义，将不同浓度溶液表面位置的浓度求解出来。在γ-c曲线上选取点a。

其次，利用表面张力γ数据与溶液浓度c作图，得到γ-c曲线图象，用作图法可求出不同浓度溶液的表面吸附量。在曲线上取某点a，过a点作切线及平行于横坐标的直线分别交纵坐标轴于b、b′两点，令bb′=Z，则Z=-c（）TP，带入（1）式，得到Γ=关系式，可求得不同浓度溶液的表面吸附量Γ，见图1。

最后，利用通过c/Γ与c数据，求溶液的饱和吸附量Г∞。当条件达到规定标准的时候，溶液浓度与表面吸附量之间的关系如下所示，一定条件下，表面吸附量与溶液的浓度有如下关系：

式中：Г∞表示的含义为饱和吸附量，k表示的含义为常数。将公式（3）可以更改为上式，可以改写为一元一次方程形式：

根据c/Γ与c数据，作出c/Γ-c直线图象，其斜率的倒数为饱和吸附量Г∞。

三、Origin对溶液表面张力测试实验数据的提取与处理

（一）实验数据的提取

在实验过程中，进行溶液浓度和表面张力数据记录，列于下表的第一、二列。使用Origin软件中的数据导入功能，将实验数据导入至列表中。导入数据成功后，实现Origin对数据的辨认，可完成实验数据的提取工作。

（二）实验数据的处理与分析

利用软件界面左下角位置的工具，与获得数据相结合，绘制完成相应的图形，根据实际需求選择合适的图表类型。以c为x轴、γ为y轴，作出γ-c图象，如图2（a）所示。通过对γ-c图象作切线，计算不同浓度下表面吸附量Г与c/Г值，列于上表的第三、四列，作出c/Г-c图。以c为x轴、c/Γ为y轴，点击分析-拟合-线性拟合选项，作出c/Γ-c作图，如图2（b）所示。再双击x轴或y轴，在弹出的窗口中，对相应坐标轴的刻度大小和格式进行设定，可得到美观的标准曲线图。最后计算斜率，可得到饱和吸附量Г∞=1/K=1/0.15085=6.63×10-6 mol·m-2。

四、结论

从上述实例可得出，在物理、化学实验中引入Origin软件处理各类数据信息，可以提高物理化学实验的质量，更能体现出实验结果的合理性和可靠性。将Origin软件数据处理引入物理、化学实验方便、快捷，并且可大大提高实验结果的准确度和精确度，能保证结果的科学性、客观性和直观性。通过利用计算机软件教学，能够帮助学生养成良好的实验学习习惯，并且有助于实验教学质量提升。同时，在教改背景下，将Origin软件应用于物理、化学实验数据处理中的这一实验教学方法可使教师在批阅学生的实验报告时基于量化的实验结果评价更公正和客观。因此，此教学方法被越来越多的学校及教师们使用，已成为实验教学中的主流趋势。

参考文献：

[1]赵艳，杨姝，秦向东.Origin软件在大学化学实验数据分析中的应用[J].广州化工，2015（2）：153-154.

[2]孟卫，胡芳.Origin8.0在物理化学实验中的应用[J].广东化工，2012（39）：184-185.

[3]王忠巍，宋莎，王艳力.Origin8.0的精馏实验数据处理实例[J].化学教育，2017（38）：61-65.

[4]赵波.Origin软件在化工原理离心泵实验教学中的应用[J].广州化工，2016（13）：215-217.

[5]张红医，田立楠，石志红.Origin软件在计算氢离子平衡浓度方面的应用[J].化学教育，2015（10）：65-69.

◎编辑 司 楠