Основные функциональные возможности системы электронных таблиц Excel для обработки данных химического эксперимента

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 54(091)
М. Ф. Каримов
Основные функциональные возможности системы электронных таблиц EXCEL для обработки данных химического эксперимента
Бирская государственная социально-педагогическая академия 452 453, г. Бирск, ул. Интернациональная 10- тел. /факс (3414) 2−64−55
Рассмотрены функциональные возможности системы электронных таблиц Excel, используемые в оперативной статистической обработке числовых данных эмпирического познания или преобразования природы. Показана дидактическая эффективность обработки данных научного эксперимента в среде системы Excel на примерах аналитической химии соединений и сплавов редкоземельных элементов.
Ключевые слова: методы математической статистики, функции системы электронных таблиц, химический анализ соединений и сплавов, компьютерная обработка данных химического эксперимента.
Эмпирическое познание химической действительности классическими (гравиметрический анализ, осаждение, титрование, перекристаллизация и ректификация) и современными способами (рефрактометрия, интерферометрия и поляриметрия, колориметрия, фотоколориметрия, спектрометрия в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях электромагнитного излучения, эмиссионный спектральный анализ, пламенная фотометрия и атомно-абсорбционный анализ, фотонефелометрия и фототурбидиметрия, фотолюминесцентный и хемилюминесцентный анализы, по-тенциометрия, кондуктометрия, кулономет-рия, вольт-амперометрия, хроновольтамперо-метрия, хронокондуктометрия, термоанализ, калориметрия, бумажная, тонкослойная, газовая, капиллярная, жидкостная и ионообменная хроматография, ядерный магнитный, электронный парамагнитный и ядерный квад-рупольный резонансы, радиохимический анализ, масс-спектрометрия, спектроскопия комбинационного рассеяния света, рентгено-спек-тральный анализ, гамма-резонансная спектроскопия, дифракция электронов и рентгеновских лучей) основано на качественных и количественных данных эксперимента, позволяющих после их обработки методами математической статистики получить информацию о составе и структуре анализируемого вещества.
Наиболее часто даваемое определение основного эмпирического метода информационного моделирования химической действительнос-
ти, состоящего из постановки экспериментальной задачи, построения модели решения экспериментальной задачи, разработки и исполнения алгоритма выполнения эксперимента, анализа результатов и формулирования выводов по эмпирическому познанию действительности, возврата к предыдущим этапам при неудовлетворительном решении экспериментальной задачи 1, и проверяемое в ходе теоретического и практического обучения студентов высших учебных заведений, имеет следующую формулировку.
Химический эксперимент — это качественное описание характерных признаков и количественная оценка состояния исследуемого объекта при определенных условиях опыта и планомерном воздействии на него со стороны субъекта познания при помощи инструментальных средств с целью достоверного выявления состава и строения вещества.
Экспериментальный метод изучения химической действительности, осваиваемый систематически и регулярно на лабораторных занятиях в высших учебных заведениях, академических и производственных учреждениях под руководством ученых-преподавателей и опытных практиков, имеет перед пассивным наблюдением ряд преимуществ:
1) изоляция объекта изучения от влияния несущественных факторов-
2) многократное воспроизведение исследуемого объекта или процесса при контролируемых условиях-
3) формирующее влияние субъекта познания на изучаемый объект для его изменения или преобразования-
4) возможность выявления у исследуемого объекта новых свойств, проявляемых в искусственно созданных условиях-
5) высокая точность измерений, достигаемая автоматизацией и компьютеризацией
2
опыта 2.
Постановка экспериментальной задачи
состоит в выделении цели, достигаемой при проведении химического опыта, в переработке в сознании исследователя диагностической информации, отражающей свойства, признаки отношения и связь изучаемого объекта
Дата поступления 15. 06. 06
Башкирский химический журнал. 2006. Том 13. №& gt- 4
или процесса, выделяемого как фрагмент химической действительности, в выборе химикатов, технологического оборудования и измерительной аппаратуры.
Построение модели решения экспериментальной задачи подразумевает отражение посредством логического мышления субъекта познания существенных свойств, признаков, отношений и связей изучаемого химического объекта-оригинала, выделение физико-химических закономерностей, согласно которым существует, функционирует или изменяется исследуемый объект, выдвижение детерминированной или статистической гипотезы или прогноза относительно опытно подтверждаемого следствия.
Разработка алгоритма решения экспериментальной задачи в виде конечной последовательности действий, осуществляющей переход от исходных данных и состояний к искомым результатам и намеченным состояниям, включает нарисование блок-схемы технологической и измерительной установки, описание отдельных стадий химического опыта, перечисление мер предосторожности при работе с химикатами и оборудованием, сборку аппаратуры для опыта, составление инструкции по лабораторной работе с указанием порядка ведения протокола измерений и методов математической статистики для проверки гипотезы и обработки числовых данных эксперимента.
Исполнение алгоритма решения экспериментальной задачи сводится к проведению определенной совокупности умственных или практических действий согласно разработанной инструкции по лабораторной работе учебного или исследовательского характера по химии, к ручной или автоматической записи данных измерений или показаний приборов в протокольный журнал или иной носитель информации и к ручной или компьютерной обработке числовых данных измерений с помощью методов математической статистики с элементами проверки гипотез.
Анализ результатов решения экспериментальной задачи и формулирование выводов производится такими средствами логики, как сравнение, анализ, синтез, абстрагирование, обобщение, индукция, традукция и дедукция при сопоставлении результатов эксперимента с параме-трами следствия из выдвинутой детерминированной или статистической гипотезы или прогноза относительно состава или структуры естественного или искусственного объекта или процесса.
В настоящее время доступными являются функциональные возможности системы электронных таблиц Excel, входящей в состав прикладного программного обеспечения любого персонального компьютера.
К основным статистическим функциям системы электронных таблиц Excel, осваиваемым студентами вузов на занятиях по естественно-математическим и общетехническим дисциплинам, относятся: 1) СРЗНАЧ (число 1- число 2-…) — значение среднеарифметического по выборке из аргументов число 1, число 2, …- 2) ДИСП (число 1-число2-…) — значение дисперсии по выборке из аргументов число1, чис-ло2, …- 3) ЛИНЕЙН (известные_значения_у- известные_значения_х- конст-статистика) — значения коэффициентов линейного приближения, аппроксимирующего числовые данные по методу наименьших квадратов- 4) ДОВЕ-РИТ (альфа-станд_откл-размер) — значение доверительного интервала по уровню значимости альфа, стандартному отклонению генеральной совокупности станд_откл и объему выборки размер- 5) СТЪЮДРАСПОБР (веро-ятность-степени_свободы) — t-значение распределения Стъюдента при значении вероятности, соответствующей двустороннему распределению Стъюдента, и числе степеней свободы степень_свободы- 6) КОРРЕЛ (мас-сив1-массив2) — значение коэффициента корреляции между двумя множествами данных, обозначенных через массив1 и массив2, записанных в интервалы ячеек электронной таблицы- 7) ТТЕСТ (массив1-массив2-хвосты-тип) — численное значение вероятности, соответствующей критерию Стъюдента, для проверки статистической гипотезы о том, что две выборки, взятые из генеральных совокупностей, имеют одно и то же среднее значение- 8) ХИ2ТЕСТ (фактический_интервал-ожидае-мый_интервал) — значение вероятности, соответствующей критерию хи-квадрат, для проверки статистической гипотезы о том, что отсутствуют достоверные различия между эмпирическими и ожидаемыми частотами.
В течение последней четверти двадцатого века мы осваивали со студентами высших учебных заведений функциональные возможности электронных таблиц SuperCalc, Радуга, FrameWork, QuattroPro и Excel 3 на примерах обработки числовых данных научных экспериментов по аналитической химии соединений и сплавов редкоземельных элементов 4'- 5.
Пример 1. При подготовке шихты для получения из соединения SmCus постоянного магнита с рекордно высокими значениями остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы во время семи последовательных взвешиваний слитка самария на лабораторных технических весах получены в граммах следующие данные: 28. 6- 28. 3- 28. 4- 28. 2- 28. 5- 28. 0- 28.8. Провести обработку указанных данных по редкоземельному компоненту постоянного магнита средствами математической статистики и электронной таблицы Excel.
При небольшом количестве измерений n одной и той же величины x- они случайно попадают на разные участки кривой плотности вероятности нормального распределения Гаусса.
Вычисляемое по данным эксперимента среднеарифметическое хср = XX /n и стандартное отклонения ^ = ~xP)2/-1 являются оценкой математического ожидания, а и сред-неквадратического отклонения, а нормального распределения случайной величины, приближаясь к ним при неограниченном увеличении количества измерений n.
В табл. 1 представлен рабочий лист электронной таблицы Excel, составленный по правилам математической статистики для оценки среднеарифметического и стандартного отклонения взвешиваний слитка самария, необходимого для изготовления постоянного магнита.
Набранное в клетках электронной таблицы Excel множество формул имеет следующее соответствие: В10 — =СУММ (В2: В8) — С4 — =СРЗНАЧ (В2: В8) — D2 — =B2-$C$ 4- E2 — =D2ffl-2- E10 — СУММ (Е2: Е8) — F4 — =КО-РЕНЬ (Е10/6) — G4 — =ДИСП (В2: В8) — H4 — =KOPEHb (G4).
На основе данных и результатов вычислений электронной табл. 1 студенты вузов делают вывод о том, что вес слитка самария колеблется около среднего значения в 28.4 г с отклонением в 0.3 г.
Таблица 1
Исходные данные химического эксперимента по изготовлению постоянного магнита из соединения SmCo5 и их математическая обработка в среде системы электронных таблиц Excel
Пример 2. Фотоколориметрическим методом химического анализа последовательно определено процентное содержание кобальта в аморфных пленках Gd-Co, полученных способом ионно-плазменного высокочастотного катодного распыления составной мишени, представленное следующими числами: 78. 10- 78. 15- 78. 22- 78. 08- 78. 10- 78. 24- 78. 13. Требуется определить доверительный интервал процентного содержания кобальта в пленочном сплаве при значении доверительной вероятности, равном 0. 95.
С помощью плотности вероятностей распределения Стъюдента-У.С. Госсета (1876- 1937), опубликованной в работе 6, можно вычислить доверительную вероятность выполнения неравенства, хср — ta-s/Vn & lt- х & lt- хср + W Vn относительно истинного значения измеряемой величины х, где ta — табулированный коэффициент Стъюдента, зависящий от доверительной вероятности, а и числа произведенных измерений n.
В рассматриваемом примере доверительный интервал — это область тех значений результата химического анализа (хср-t0995 ¦ s/V n- xcv + ?о. 95 ¦sЫп), выход за пределы которой имеет весьма малую вероятность, равную 1 — 0. 95 = 0. 05.
В табл. 2 приведен рабочий лист электронной таблицы Excel, составленный согласно правилам математической статистики для оценки среднеарифметического хСр, стан дартного отклонения s, стандартного отклонения среднеарифметического sxcp, коэффициента Стъюдента to. 95 и половины ширины sxcp to. 95 доверительного интервала при доверительной вероятности, а = 0. 95 для процентного содержания кобальта в аморфной пленки состава Gd-Co.
Совокупность формул, набранных в клетках электронной таблицы Excel, имеет следующее соответствие: В10 — =СУММ (В2: В8) — С4 — =СРЗНАЧ (В2: В8) — D2 — =B2-$C$ 4- E2
A B C D E F G H
1 Опыт Xi xcp xi xcp (xi xcp) s Дисперсия Стандартоткл
2 1 28.6 0.2 0. 04
3 2 28.3 -0.1 0. 01
4 3 28.4 28.4 0 0 0. 264 575 0. 07 0. 264 575
5 4 28.2 -0.2 0. 04
6 5 28.5 0.1 0. 01
7 6 28.0 -0.4 0. 16
8 7 28.8 0.4 0. 16
9
10 Сумма 198.8 0. 42
Таблица 2
Данные химического эксперимента по определению состава аморфной пленки Gd-Co и их обработка с помощью методов математической статистики
A B C D E F G H I
1 Опыт Xi xcp xi xcp (xi xcp) s sxcp0,95 Sxcp •0. 95
2 1 78. 10 -0. 45 714 0. 209
3 2 78. 15 0. 4 286 1. 84E-05
4 3 78. 22 78. 14 571 0. 74 286 0. 5 518 0. 62 144 0. 23 488 2. 446 914 0. 57 474
5 4 78. 08 -0. 65 714 0. 4 318
6 5 78. 10 -0. 45 714 0. 209
7 6 78. 24 0. 94 286 0. 889
8 7 78. 13 -0. 15 714 0. 247
9
10 Сумма 547. 02 0. 23 171
— E10 — СУММ (Е2: Е8) — F4 — =КО-
РЕНЬ (Е10/6) — G4 — =F4/KOPEHb (7) — H4 -=СТЪЮДРАСПОБР (0. 05−6) — I4 — =G4*H4.
Будущие исследователи и преобразователи природной и технической действительности на основе данных и вычислений в электронной табл. 2 формулируют вывод о том, что результаты химического анализа состава аморфных пленок сплава Gd-Co относительно кобальта с доверительной вероятностью 0. 95 укладываются в доверительный интервал от 78. 15 -0. 06 = 78. 09 до 78. 21%.
Дидактический опыт показывает, что студенты естественно — математических и технических факультетов высших учебных заведений Уральского региона после освоения на практических и лабораторных занятиях основных функциональных возможностей системы электронных таблиц Excel для обработки числовых данных химического эксперимента успешно организуют, проводят и представляют учебные и научные опыты по физическим, общетехническим, биологическим, экономическим и социальным дисциплинам.
Анализируя и обобщая вышеприведенный материал об освоении будущими исследователями природы и преобразователями технической действительности основных функциональных возможностей системы электронных таблиц Excel, применяемых в обработке данных химического эксперимента методами математической статистики, можно сформулировать следующие выводы.
Экспериментальный метод изучения химической действительности является основной частью универсального информационного моделирования объектов, процессов и явлений реальности, состоящего из этапов постановки задачи, построения модели, разработки и испол-
нения алгоритма, анализа результатов и формулирования выводов, возврата к предыдущим этапам при неудовлетворительном решении познавательной или преобразовательной задачи.
Общедоступная будущим и настоящим исследователям природы и преобразователям технической действительности система электронных таблиц Excel обладает функциональными возможностями, допускающими оперативную статистическую обработку числовых данных химического эксперимента, необходимую для достоверного познания и преобра- зования естественных и искусственных объектов.
Знания, умения и навыки, приобретенные студентами вузов при компьютерной обработке данных эмпирического познания химической действительности, способствуют активизации их успешной экспериментальной учебной и научной деятельности в области физики, техники, биологии, экономики и социологии.
Литература
1. Каримов М. Ф. // Башкирский химический журнал.- 2005.- Т. 12.- № 4.- С. 30.
2. Кандаурова Г. С., Каримов М. Ф., Васьковский В. О. // Физика твердого тела. -1981.- Т. 23.- Вып. 3.- С. 720.
3. Каримов М. Ф. // В Сб. научных трудов «Проблемы развития личности в усло-виях сельской школы».- М.: Изд. -во НИИ ОСО РАО, 1996. -С. 106.
4. Kandaurova G. S., Deryagin A. V., Lagutin A. E. // Physica Status Solidi (A).- 1975.- Vol. 27. -P. 429.
5. Каримов М. Ф. Влияние состава на параметры доменной структуры аморфных пленок гадолиний — кобальт // Тезисы докладов VII Всесоюзной школы «Новые магнитные материалы для микроэлектроники».- Ашхабад: Изд. -во ТГУ, 1980.- С. 201.
6. Student // Biometrika.- 1908.- Vol.6.- P. 1.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой