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1、Gnuplot 软件学习小教程Phys.ccNovember 12, 2011目录1什么是 Gnuplot22如何安装 Gnuplot22.1Linux 系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22.2Windows 系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23如何使用 Gnuplot23.1建立数据文件 (file.data) . . . . . . . . . . . . . .
2、. . . . . . . . . . . . . . . .33.2建立程序文件 (file.gnu). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33.3程序改进：添加标签 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43.4程序改进：修改标尺有效位数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53.5程序改进：分段拟合 . . . . . . . . . . . . . .
3、 . . . . . . . . . . . . . . . . . .73.6程序改进：给出拟合公式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83.7程序改进：优化代码（非必须） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93.8程序修改：改变图片大小. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113.9程序修改：改变标签位置. . . . . . . . . . . . . . . . .
4、. . . . . . . . . . . .114Gnuplot 在物理学中的应用124.1近代物理实验 1 4 磁电阻效应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124.2近代物理实验 B-5 冉绍尔 -汤森实验. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165关于本文档1911什么是 GnuplotGnuplot 是一款科学作图软件，它可以把数据做成规范的图形，功能十分强大，而且免费使用，易学易用性比 origin 更好。官方网站是：Gnuplot Homepage (http:/w
5、ww.gnuplot.info/)。到目前为止，最新版为 4.4.3 版，你可以从这里下载。你需要的版本，如果你是 Linux 用户，请下载 gnuplot-4.4.3.tar.gz。如果你是 Windows 用户，请下载 gp443win32.zip。Gnuplot 使用手册为 gnuplot.pdf，你可以一并下载，虽然是英文原版，但却是最好的学习资料。2如何安装 GnuplotGnuplot 的安装过程十分简单，Linux 下只需要一个命令即可安装，无需下载软件。Windows 系统下只需要解压即可使用。2.1Linux 系统Fedora、CentOS、Redhat 系统安装方法：在终端
6、输入以下命令即可。sudo yum install gnuplotUbuntu、Debian 系统安装方法：sudo apt-get install gnuplot其它 Linux 系统请参考相关的说明文档。2.2Windows 系统无需安装，下载 gp443win32.zip 并解压即可使用。3如何使用 Gnuplot使用 Gnuplot 作图十分简单，比 Origin 和 Matlab 都简单得多。Gnuplot 的使用必须要有 2 个文件，数据文件和程序文件，都使用文件编辑器即可。Windows 用户可使用记事本编辑，Linux 用户可以使用 gedit、vim 等编辑器。作图中拟合功能
7、是最常用的，Origin 和Sigmaplot 软件的拟合功能学起来十分困难，Gnuplot 的拟合功能学起来很容易。下面以磁电阻的分段拟合为例说明 Gnuplot 的使用方法。23.1建立数据文件 (file.data)原始数据可以用 OpenOffice Calc 或者 Excel 处理，这里省略，只给出处理后的结果：#I/mAU2/mV I2/mA U1/mV I1/mA BR0800.32.521.002.510.002317.630800.72.487.202.470.017322.960799.92.3613.002.350.032338.990800.42.2217.802.21
8、0.046360.5120800.42.0621.802.050.061388.5150800.21.9025.001.900.076421.2180800.71.7627.801.760.091454.9210800.81.6530.501.650.106485.3240800.81.5933.401.590.121503.6270800.11.5436.401.540.136519.5300800.81.5039.401.500.151533.9330800.11.4742.301.470.165544.3360800.11.4345.101.430.181559.5390800.21.4
9、147.901.410.195567.5420800.41.3850.601.380.211580.0500800.71.3257.401.320.250606.6600800.81.2565.201.250.300640.6700800.51.1871.701.180.349678.4800800.81.1277.701.120.399715.0900800.81.0682.601.060.448755.5将上表中的数据考入一个文本文档，我给它取名叫 “MPE_8-1_MR.data”，这个名字随便取，也可不用扩展名。这里需要用到的作图数据分别是第 6 列（磁场强度 B：x 轴）和第 7列（
10、磁电阻 R：y 轴） 。3.2建立程序文件 (file.gnu)现在我写了一个小程序，它十分简短：set term post eps color enh soliddatafile=”MPE_81_MR.data”set output ”MPE_81_MR_1.eps”plotdatafile using 6:7现在我来解释一下这段小代码：3 set：所有 Gnuplot 设置均以 set 开头。 term：即 terminal ，终端，指示图片输入出的格式用，如果后面可以跟 post eps、png、jpg 等。 post eps：我指定输出 eps 格式图片。 color：可以输出彩色图片
11、和曲线。 enh：即 enhance，加强，可以输入各种符号，例如希腊字母等。 solid：可使用实体线。 datafile=“MPE_8-1_MR.data”：这个是我自定义的一个变量，我想你一看就知道谁是变量，谁是赋值。 set output “MPE_8-1_MR_1.eps”：这是指定输出的图片格式和名称，这里我输出eps 格式图片。 plot：作图指令，最后一行代码我想我不用解释，它一目了然。好了，我们把这段代码保存为文本文档，取名为 “MPE_8-1_MR_1.gnu”，同样，这个文件名也是随便取，你也可以用 plt 作扩展名，或者不用扩展名。然后在命令行下来运行一下作图指令：gn
12、uplot MPE_8-1_MR_1.gnu然后在同一文件夹下，会出现名为 “MPE_8-1_MR_1.eps” 的图，我把它放在这里，如图1所示。这个图有点简陋，但已经很好地画出了实验曲线，至少比那个什么一棵赛奥的画出来的丑陋图强多了。大家可以自己思考一下，如何作出一个 png 格式的图（其实看了上面的代码解释，我想你一定很快就能作出来。 ）下面我们来逐渐完善这个图。现在首要的任务是把x 轴和 y 轴的标签打上，不然我们知道这是神马图？ ！3.3程序改进：添加标签让我们加上三行代码：set term post eps color enh soliddatafile=”MPE_81_MR.da
13、ta”set output ”MPE_81_MR_2.eps”set title ”MagnetoResistance”4 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45datafile using 6:7图 1: 磁电阻随磁场的变化关系set xlabel ”B/T”set ylabel ”R/SymbolW”plotdatafile using 6:7这三行代码实在是简单，几乎不需要解释，只说明一下，xlabel 表示 x 轴标签，ylabel 表示y 轴标签，而
14、title 则表示图片的标题。这里唯一需要注意的是 /Symbol W，这表示希腊字母 。我想这样你就得到一个启示，即 26 个希腊字母和 26 个英文字母是一一对应的，只需要一个/Symbol 即可，最后别忘了用 和 把它括起来。好了，来看看我们的成果如何了，如图2所示：3.4程序改进：修改标尺有效位数这个图比第一幅图好多了，可是还有一点不足之处，x 轴的刻度有效位不统一，好了，我再加上几行代码，都是一些常用的代码：set term post eps color enh soliddatafile=”MPE_81_MR.data”set output ”MPE_81_MR_3.eps”set
15、 title ”MagnetoResistance”set xlabel ”B/T”5 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45R/B/TMagneto Resistancedatafile using 6:7图 2: 磁电阻随磁场的变化关系set ylabel ”R/SymbolW”#set xrange 0:0.45set yrange 300:800set size 1,1set key right topset xtics format ”%.2f”set
16、 ytics format ”%.0f”plotdatafile using 6:7 notitle lw 2需要解释吗？读懂它是件很容易的事。好吧，我再解释一下： xrange 和 yrange 分别是 x 轴和 y 轴的刻度范围，# 可以注释掉一行代码，xrange 和yrange 不管也可以，Gnuplot 会自动设置一个合适的值。 set size 1,1：这是默认设置，设置图的大小为 1。 set key right top：这也是默认设置，设置说明文字的位置为右上角，同样地，你也可以自己设置其它方位，比如：left、center、bottom。 set xtics format “
17、%.2f”：设置 x 轴的刻度数值保留小数点后 2 位。63004005006007008000.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45R/B/TMagneto Resistance图 3: 磁电阻随磁场的变化关系 set ytics format “%.0f”：设置 y 轴的刻度数值保留到整数。 notitle lw 2：去掉线的说明，这样 set key right top 就不起作用了。 lw 2 表示 linewidth 2，表示把线和点的粗细变为 2，默认为 1。下面看看这次的效果，唯一体现是 x 轴的刻度，统一为 2 位有效数字，如图3所示。3
18、.5程序改进：分段拟合这个图已经十分漂亮了，现在我们开始分段拟合，首先按照实验讲义及上面的图，可以看出在 0.00 B 0.11 段电阻与磁场是二次曲线关系，在 0.11 B 0.45 段，电阻与磁场成线性关系。因此，我们可以加上 6 行代码：set term post eps color enh soliddatafile=”MPE_81_MR.data”set output ”MPE_81_MR_4.eps”set title ”MagnetoResistance”set xlabel ”B/T”set ylabel ”R/SymbolW”#set xrange 0:12set yrang
19、e 300:80073004005006007008000.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45R/B/TMagneto Resistance图 4: 磁电阻随磁场的变化关系set size 1,1set key right topset xtics format ”%.2f”set ytics format ”%.0f”y1(x) = a*x*2 + b*x + cy2(x) = k*x + dfit y1(x)datafile using ($60.11 ? $6 : 1/0):7 via k,dplotdatafile using 6:7 noti
20、tle lw 2, y1(x) notitle lw 2, y2(x) notitle lw 2到这里，我相信你看代码的能力已经很强了，这 6 行代码不解释，只给出图，见图4。3.6程序改进：给出拟合公式图4已经相当完善了，不过，如果能给出两条曲线的拟合公式将再加完美：8set term post eps color enh soliddatafile=”MPE_81_MR.data”set output ”MPE_81_MR_5.eps”set title ”MagnetoResistance”set xlabel ”B/T”set ylabel ”R/SymbolW”#set xrange
21、 0:12set yrange 300:800set size 1,1set key right topset xtics format ”%.2f”set ytics format ”%.0f”y1(x) = a*x*2 + b*x + cy2(x) = k*x + dfit y1(x)datafile using ($60.11 ? $6 : 1/0):7 via k,dset label 1 sprintf(”R_1=%.0fB2+%.0fB+%.0f”, a,b,c) at graph 0.6,0.4 leftset label 2 sprintf(”R_2=%.0fB+%.0f”,
22、k,d) at graph 0.6,0.3 leftplotdatafile using 6:7 notitle lw 2, y1(x) notitle lw 2, y2(x) notitle lw 2这两行代码虽然长，但很简单，“at graph 0.6,0.4 left” 是说先在这个图的 (0.6,0.4) 点处选个基准点，整个图的大小为 (1,1)，这个很好理解，left 是说标签放在这一点的左侧。有图有真相，看图5。3.7程序改进：优化代码（非必须）如果两个标签的位置不对，就需要改 4 个数来移动它，这是比较费事的，试想一下，如果有 10 个 20 个标签那得改多少地方？这里教大家一
23、个小技巧，不多说，请看程序代码：set term post eps color enh soliddatafile=”MPE_81_MR.data”set output ”MPE_81_MR_6.eps”set title ”MagnetoResistance”93004005006007008000.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45R/B/TMagneto ResistanceR1 = 12683 B2 + 410 B + 315R2 = 745 B + 420图 5: 磁电阻随磁场的变化关系set xlabel ”B/T”set ylabel ”
24、R/SymbolW”#set xrange 0:12set yrange 300:800set size 1,1set key right topset xtics format ”%.2f”set ytics format ”%.0f”y1(x) = a*x*2 + b*x + cy2(x) = k*x + dfit y1(x)datafile using ($60.11 ? $6 : 1/0):7 via k,dp1 = 0.6p2 = 0.4q = 0103004005006007008000.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45R/B/TMagn
25、eto ResistanceR1 = 12683 B2 + 410 B + 315R2 = 745 B + 420图 6: 磁电阻随磁场的变化关系set label q=q+1 sprintf(”R_1=%.0fB2+%.0fB+%.0f”, a,b,c) at graph p1,p2leftset label q=q+1 sprintf(”R_2=%.0fB+%.0f”, k,d) at graph p1,p20.1 leftplotdatafile using 6:7 notitle lw 2, y1(x) notitle lw 2, y2(x) notitle lw 2这次纯粹为优化代码
26、，没有改进图，所以不放图了。3.8程序修改：改变图片大小下面再来改一个图片大小，看看有什么不同之处，即把以上代码的第 9 行改动一下。set size 1,1改为set size 0.7,0.7即把图缩小 30% 看看有什么效果：是不是图变小了？现在我们再来看看如何改标签的位置。3.9程序修改：改变标签位置p1 = 0.6p2 = 0.4113004005006007008000.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45R/B/TMagneto ResistanceR1 = 12683 B2 + 410 B + 315R2 = 745 B + 420图 7:
27、 磁电阻随磁场的变化关系改为p1 = 0.5p2 = 0.4标签向左移动了 10% 的位置，图5变成了图7：好了，到这里为止，我已经介绍了 gnuplot 的具体使用过程，这个例子是个比较复杂的例子，不过我们学起来也大概也只需要 1 个小时就够了，如果你比较聪明，可能半个小时就够了。就是这个例子，如果你用 Origin 或者 Sigmaplot 来做试一下，你花 2 个小时不一定能弄出来。4Gnuplot 在物理学中的应用这里我打算给出几个例子来。4.1近代物理实验 1 4 磁电阻效应数据处理结果保存为 MPE_1-4_WF.data，内容如下：#Work Function#0.500.550
28、.600.650.700.754.470.0000.6991.2881.7902.2742.737125.480.0000.7081.2971.7982.2832.7456.320.0000.7161.3051.8032.2902.7567.070.0000.7241.3101.8092.2942.7607.750.0410.7241.3121.8172.2992.7668.370.0410.7321.3161.8222.3012.7718.940.0410.7321.3181.8262.3052.7759.490.0410.7321.3221.8302.3072.78110.000.0790
29、.7401.3261.8332.3122.78210.490.0790.7401.3281.8382.3162.78410.950.0790.7401.3301.8412.3202.787本实验需要做两个图，第一个是溢出电流的对数 lgIa与加速电压的平方根Ua的关系，第二个是 lgI0T2与 T1的关系。因此需要 2 个作图程序，分别为 MPE_1-4_WF_1.gnu 和MPE_1-4_WF_2.gnu，其中 MPE_1-4_WF_1.gnu 的内容为：set term post eps color enh solid font 16datafile=”MPE_14_WF.data”set
30、 output ”MPE_14_WF_1.eps”set title ”WorkFunction”set xlabel ”U_a1/2”set ylabel ”lgI_a”set xrange 0:12set ytics format ”%.1f”set size 1,1set key right topy50(x) = A50 + k50/1720*xy55(x) = A55 + k55/1800*xy60(x) = A60 + k60/1880*xy65(x) = A65 + k65/1960*xy70(x) = A70 + k70/2040*xy75(x) = A75 + k75/212
31、0*xfit y50(x) datafile using 1:2 via A50,k50fit y55(x) datafile using 1:3 via A55,k55fit y60(x) datafile using 1:4 via A60,k60fit y65(x) datafile using 1:5 via A65,k65fit y70(x) datafile using 1:6 via A70,k7013fit y75(x) datafile using 1:7 via A75,k75p1 = 0.2p2 = 0.01q1 = 0set label q1=q1+1 sprintf(
32、”T=1720K”) at graph p1, 0.10 leftset label q1=q1+1 sprintf(”T=1800K”) at graph p1, 0.30 leftset label q1=q1+1 sprintf(”T=1880K”) at graph p1, 0.45 leftset label q1=q1+1 sprintf(”T=1960K”) at graph p1, 0.60 leftset label q1=q1+1 sprintf(”T=2040K”) at graph p1, 0.75 leftset label q1=q1+1 sprintf(”T=21
33、20K”) at graph p1, 0.90 leftset label q1=q1+1 sprintf(”lgI_0=%.3f”, A50) at graph p2, 0.10 leftset label q1=q1+1 sprintf(”lgI_0=%.3f”, A55) at graph p2, 0.30 leftset label q1=q1+1 sprintf(”lgI_0=%.3f”, A60) at graph p2, 0.45 leftset label q1=q1+1 sprintf(”lgI_0=%.3f”, A65) at graph p2, 0.60 leftset
34、label q1=q1+1 sprintf(”lgI_0=%.3f”, A70) at graph p2, 0.75 leftset label q1=q1+1 sprintf(”lgI_0=%.3f”, A75) at graph p2, 0.90 leftplot y50(x) notitle ”T=1720K” lt 1 lw 2, y55(x) notitle ”T=1800K” lt 2 lw 2, y60(x) notitle ”T=1880K” lt 3 lw 2, y65(x) notitle ”T=1960K” lt 4 lw 2, y70(x) notitle ”T=204
35、0K” lt 5 lw 2, y75(x) notitle ”T=2120K” lt 6 lw 2, datafile using 1:2 notitle lt 1 lw 2, datafile using 1:3 notitle lt 2 lw 2, datafile using 1:4 notitle lt 3 lw 2, datafile using 1:5 notitle lt 4 lw 2, datafile using 1:6 notitle lt 5 lw 2, datafile using 1:7 notitle lt 6 lw 2输出的 MPE_1-4_WF_1.eps 图为
36、 根据上图，我们可以做出进一步提取数据 MPE_1-4_WF_2.data 为#TlgI01/Tlg(I0/T2)17200.081 5.81E0046.55214-0.50.00.51.01.52.02.53.0 0 2 4 6 8 10 12lgIaUa1/2Work FunctionT=1720KT=1800KT=1880KT=1960KT=2040KT=2120KlgI0 = -0.081lgI0 = 0.675lgI0 = 1.263lgI0 = 1.754lgI0 = 2.246lgI0 = 2.704图 8: 溢出电流与加速电压的关系18000.6755.56E0045.8361
37、8801.2635.32E0045.28519601.7545.10E0044.83120402.2464.90E0044.37321202.7044.72E0043.949继续编写作图程序 MPE_1-4_WF_2.gnu 为set term post eps color enh soliddatafile=”MPE_14_WF_2.data”set output ”MPE_14_WF_2.eps”set title ”WorkFunction”set xlabel ”T1/K1”set ylabel ”lg(I_0/T2)”#set xrange 0:12set size 1,1set k
38、ey right topset xtics format ”%.2e”set ytics format ”%.2f”y(x) = A + k*x15-7.00-6.50-6.00-5.50-5.00-4.50-4.00-3.504.60e-044.80e-045.00e-045.20e-045.40e-045.60e-045.80e-046.00e-04lg(I0/T2)T-1/K-1Work Functionk = -2.339e+04e = 4.640 eVlg(I0/T2) = kT-1 + lgAS图 9: 溢出电流与加速电压的关系fit y(x) datafile using 3:4
39、 via A,kp1 = 0.7p2 = 0.7q1 = 0set label q1=q1+1 sprintf(”k=%.3e”, k) at graph p1,p2 leftset label q1=q1+1 sprintf(”e/Symbolf=%.3feV”, k*1/(5.04e3) at graph p1,p20.1 leftplot datafile using 3:4 notitle lt 1 lw 2, y(x) title ”lg(I_0/T2)=kT1+lgAS” lt 2 lw 2输出的 MPE_1-4_WF_2.eps 图为4.2近代物理实验 B-5 冉绍尔 -汤森实验
40、这里给出一组同学的数据及作图程序及结果。数据：MPE_B-5_ramsauer_mdwsyy.data16#EaIp*Is*IpIssqrt(Ea)Psf(Ef=2.63V)IpIsf(Ef=2.80V)#20110711 night0.2#Ec=0.34V#Ef=2.63VEf*=2.3V0.200.040.740.0083.820.000.9590.05410.0066.760.02220.300.122.200.0247.970.320.9420.05450.01711.750.02550.400.224.710.05413.030.450.9080.04670.04618.070.02
41、820.500.358.000.11319.740.550.8640.04380.10325.490.03050.600.5113.40.20227.250.630.7990.03810.19634.180.02920.700.6818.50.33636.370.710.7420.03680.34143.570.03100.800.9225.90.51746.330.770.6780.03550.54653.790.03220.901.1632.40.73956.220.840.6250.03580.82164.890.03441.01.4339.91.0167.200.890.5710.03
42、581.13376.350.03531.11.7548.71.3178.310.950.5260.03591.45588.120.03551.22.0758.01.6290.401.000.4880.03571.765100.270.03501.32.3967.91.82103.651.050.4920.03521.96113.670.03451.42.6876.52.05116.441.100.4890.03502.17126.970.03401.53.0488.02.22130.001.140.4970.03452.34142.290.03321.63.401002.34144.351.1
43、80.5150.03402.45157.120.03271.73.701122.42159.031.220.5310.03302.53172.270.03191.84.111262.48174.151.260.5560.03262.58186.030.03181.94.481392.53189.571.300.5780.03222.62199.200.03182.04.811512.56202.001.340.5950.03192.65215.200.03092.25.581802.60232.801.410.6330.03102.67248.100.02992.46.352072.60265
44、.201.480.6740.03072.67280.200.02982.67.212382.58298.201.550.7080.03032.64313.200.02952.88.062692.56331.201.610.7360.03002.61347.300.02913.08.933002.53363.101.670.7610.02982.58379.300.02903.511.33802.45446.001.820.8110.02972.50462.700.02924.013.54702.41527.901.950.8370.02872.45548.000.02814.515.65602
45、.41612.202.070.8550.02792.46633.000.02755.017.86582.45695.202.190.8670.02712.52719.300.02695.520.07662.55782.002.300.8720.02612.63806.300.02616.022.38732.71871.902.410.8760.02552.80897.500.02566.524.79812.94963.302.510.8760.02523.04991.600.02537.027.110843.211059.40 2.610.8760.02503.331090.70 0.0252
46、177.529.811993.531158.00 2.700.8750.02493.681192.40 0.02528.032.613023.921263.10 2.790.8730.02504.081298.20 0.02548.535.514064.361372.10 2.880.8710.02524.561408.40 0.02579.038.315024.901483.00 2.970.8680.02555.111523.70 0.0259程序：MPE_B-5_ramsauer_mdwsyy.gnuset term post eps color enh solid font ”Time
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