利用Office等辦公軟件研究物理問(wèn)題

田川

摘 要：以初中物理滑動(dòng)變阻器的最大功率（或高中物理電池的最大輸出功率）為例，指出office等辦公軟件在研究該問(wèn)題時(shí)的創(chuàng)造性應(yīng)用，開(kāi)闊學(xué)生視野，增進(jìn)教師教學(xué)研究的技術(shù)方法，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，發(fā)展物理學(xué)科的核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：STEM，Office軟件，幾何畫(huà)板，核心素養(yǎng)，創(chuàng)造力

文章編號(hào)：1008-4134（2020）08-0053 ? ?中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

初中物理教學(xué)中，當(dāng)滑動(dòng)變阻器和一個(gè)定值電阻串聯(lián)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片，可以改變滑動(dòng)變阻器的功率.當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值等于該定值電阻的阻值時(shí)，滑動(dòng)變阻器的功率將會(huì)最大.在實(shí)際教學(xué)中，此結(jié)論常用推導(dǎo)公式的方式加以證明.

此文在傳統(tǒng)常規(guī)證明的基礎(chǔ)上，給出3種創(chuàng)新的證明方式，供大家參考.

1 用PPT證明

首先，確定原理.設(shè)電源的電壓為U0，定值電阻為R0，滑動(dòng)變阻器兩端的電壓為U，電流為I，則U=U0-IR0，繪成函數(shù)圖，如圖1所示.顯而易見(jiàn)，滑動(dòng)變阻器的功率就是圖1中橫縱坐標(biāo)乘積所對(duì)應(yīng)的面積，如能證明橫坐標(biāo)為U0/2R0時(shí)對(duì)應(yīng)的面積最大，也就證明了R滑= R0時(shí)，滑動(dòng)變阻器的功率將會(huì)最大.

接著在PPT界面下，隨機(jī)繪制一段斜線(xiàn)，選擇加粗，改為醒目的紅色.如圖2所示，復(fù)制它，改為藍(lán)色，移動(dòng)線(xiàn)條，使其首尾剛好相接.然后繪制一個(gè)矩形框，移動(dòng)矩形框，當(dāng)自動(dòng)出現(xiàn)一條豎直虛線(xiàn)時(shí)，表明紅色線(xiàn)的末端落在矩形框左側(cè)的豎直邊的延長(zhǎng)線(xiàn)上（即對(duì)齊），同理讓藍(lán)色線(xiàn)的末端落在矩形框下側(cè)水平邊的延長(zhǎng)線(xiàn)上.然后用鼠標(biāo)雙擊矩形框，界面的右上角會(huì)顯示該矩形框的“長(zhǎng)度”和“寬度”，如圖3所示.用它們的乘積來(lái)模擬滑動(dòng)變阻器的“功率”.

然后，用鼠標(biāo)點(diǎn)住矩形框的右上角的A點(diǎn)，使這個(gè)點(diǎn)沿著斜線(xiàn)移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中矩形框的“左邊”和“下邊”會(huì)自行鎖定，“上邊”和“右邊”會(huì)自動(dòng)響應(yīng)A點(diǎn)的移動(dòng)，這樣就可以自動(dòng)生成新的“面積”.用面積的變化模擬功率的變化.

輔以一個(gè)計(jì)算器，操作顯示，不管斜線(xiàn)的傾斜程度如何改變，當(dāng)A點(diǎn)到達(dá)紅線(xiàn)與藍(lán)線(xiàn)的分界點(diǎn)時(shí)，矩形框的面積總是最大的.這也就證明了滑動(dòng)變阻器的阻值等于該定值電阻的阻值時(shí)，滑動(dòng)變阻器的功率將會(huì)最大.

2 用Excel證明

首先，確定原理.設(shè)電源的電壓為U0，定值電阻為R0，滑動(dòng)變阻器兩端的電壓為U，電流為I，則U=U0-IR0，接著假設(shè)電源電壓為9V，定值電阻R0=3Ω，即可得U=9-3I.打開(kāi)Excel，選擇一列，從上到下輸入電流值，間隔為0.2A，臨近1.5A時(shí)，取值稍微密集些.然后使用Excel強(qiáng)大的函數(shù)功能，直接下拉，獲得電壓值，然后利用Excel求電流、電壓兩列數(shù)據(jù)的乘積（見(jiàn)表1）.

具體步驟為雙擊0.2、8.4數(shù)據(jù)右邊的空格，點(diǎn)擊任務(wù)欄中的“公式”一欄，在出現(xiàn)的“求和符號(hào)”欄中選擇最下面的“其它函數(shù)”，在彈出的對(duì)話(huà)框中的“搜索函數(shù)”中輸入漢字“乘積”，在彈出的對(duì)話(huà)框中依次點(diǎn)擊“確定”，就會(huì)出現(xiàn)1.68.選中1.68，向下拉，于是每列就顯示對(duì)應(yīng)的乘積.

從顯示的數(shù)據(jù)中可以看出當(dāng)電流為1.5A時(shí)，功率最大.由此可證明滑動(dòng)變阻器的阻值等于該定值電阻的阻值時(shí)，滑動(dòng)變阻器的功率將會(huì)最大.

接著還可以使用Excel求商，即獲得每個(gè)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的電阻值.

具體步驟為雙擊空格，鍵入“=”號(hào)，輸入對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，比如8.4V在Excel中的坐標(biāo)為G8，0.2A在Excel中的坐標(biāo)為J8.則在空格中再輸入G8/J8，點(diǎn)擊Enter即出現(xiàn)42，選中42，下拉即得對(duì)應(yīng)比值，即滑動(dòng)變阻器接入的阻值.選中功率和電阻所在的兩列，插入函數(shù)圖像散點(diǎn)圖，便如圖4所示.從圖4可以直觀(guān)地看出隨著滑動(dòng)變阻器接入阻值的變大，滑動(dòng)變阻器的功率先增大后減小.

3 用幾何畫(huà)板證明

首先確定滑動(dòng)變阻器功率的表達(dá)式，設(shè)電源的電壓為U0，定值電阻為R0，滑動(dòng)變阻器接入的阻值為R滑，則滑動(dòng)變阻器的功率P=U20R滑（R0+R滑）2=U202R0+R20R滑+R滑.

為了方便繪制函數(shù)圖，可假設(shè)電源電壓等于6V，定值電阻等于4Ω.于是可以在幾何畫(huà)板軟件中輸入函數(shù)g（x）= 368+16x+x，生成的圖像輪廓如圖5曲線(xiàn)中的（甲）所示，從圖中不難看出，當(dāng)R滑=4Ω時(shí)，滑動(dòng)變阻器的功率最大.

同理，若假設(shè)電源電壓等于6V，定值電阻等于3Ω，則生成的圖像輪廓如圖5中的曲線(xiàn)（乙）所示，從圖中不難看出，當(dāng)R滑=3Ω時(shí)，滑動(dòng)變阻器的功率最大.

若假設(shè)電源電壓等于6V，定值電阻等于2Ω，則生成的圖像輪廓如圖5中的曲線(xiàn)（丙）所示，從圖中不難看出，當(dāng)R滑=2Ω時(shí)，滑動(dòng)變阻器的功率最大.

若假設(shè)電源電壓等于9V，定值電阻等于2Ω，則生成的圖像輪廓如圖5中的曲線(xiàn)（?。┧?，從圖中不難看出，當(dāng)R滑=2Ω時(shí)，滑動(dòng)變阻器的功率最大.

由此可得，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值等于該定值電阻的阻值時(shí)，滑動(dòng)變阻器的功率將會(huì)最大.

4 結(jié)束語(yǔ)

PPT是學(xué)生最熟悉的辦公軟件之一，巧妙地將它與物理教學(xué)融合在一起.是創(chuàng)造力、想象力的體現(xiàn)，在課堂上不僅能帶來(lái)“耳目一新”的感覺(jué)，還能培養(yǎng)學(xué)生突發(fā)奇想的意識(shí)，和敢于創(chuàng)新的勇氣.同時(shí)也不妨告訴學(xué)生，實(shí)際上PPT在該探究項(xiàng)目中扮演著一把“數(shù)字化刻度尺”的角色，也啟示學(xué)生，應(yīng)當(dāng)具備在特定條件下使用數(shù)字化工具的意識(shí)和能力.

利用Excel強(qiáng)大的函數(shù)運(yùn)算功能，不僅可以很快獲得“當(dāng)R滑等于R定時(shí)，R滑的功率將會(huì)最大”的相關(guān)物理規(guī)律.它還可以清晰明了地讓學(xué)生看到，R滑的功率是如何隨著R滑的增大，先變大后變小的.在傳統(tǒng)的教學(xué)中，在判定R滑的功率存在一個(gè)極大值后，往往憑借以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)用粉筆在黑板上勾勒出類(lèi)似于圖5的圖像輪廓.嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，這樣的教學(xué)片段有失嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)榻處煵⑽凑f(shuō)明圖像彎曲細(xì)節(jié)的相關(guān)原因，即為何是這樣彎，而不是朝那邊拐，教師未作相應(yīng)的交代.而Excel的使用恰恰彌補(bǔ)了這一困難.

幾何畫(huà)板是數(shù)學(xué)學(xué)科必不可少的教學(xué)軟件，對(duì)于物理學(xué)科來(lái)說(shuō)，該軟件的優(yōu)點(diǎn)是可以將某個(gè)公式的輪廓簡(jiǎn)單迅捷地顯示出來(lái)，可以增強(qiáng)物理公式的直觀(guān)性.當(dāng)物理公式不是線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，用幾何畫(huà)板來(lái)顯示圖像輪廓顯得非常便捷.有時(shí)候，再結(jié)合分析相應(yīng)的坐標(biāo)值，還可以對(duì)物理規(guī)律進(jìn)行定量分析.因此，作為物理教師也應(yīng)該了解并利用好幾何畫(huà)板這一優(yōu)秀的繪圖工具.

通過(guò)將Office等辦公軟件創(chuàng)造性地用于解決具體的物理問(wèn)題，可以讓學(xué)生深切地感受到物理學(xué)科與信息技術(shù)深度融合[1]的價(jià)值與樂(lè)趣，是教學(xué)手段上的一種創(chuàng)新.

這些研究方式，還可以布置成學(xué)生課外的STEM學(xué)習(xí)項(xiàng)目，在動(dòng)手操作的過(guò)程中收獲學(xué)習(xí)的快樂(lè).每位同學(xué)研究一個(gè)項(xiàng)目，通過(guò)交流研究學(xué)習(xí)的心得體會(huì)，一位同學(xué)提供一組研究數(shù)據(jù)，當(dāng)眾多同學(xué)的研究數(shù)據(jù)匯集在一起時(shí)，就是在踐行科學(xué)探究的“多次實(shí)驗(yàn)”.在教學(xué)中從學(xué)生的需要、動(dòng)機(jī)、心態(tài)和興趣等心理機(jī)制出發(fā)，將STEM理念應(yīng)用到物理教學(xué)中，既打破了傳統(tǒng)教學(xué)局限，還將數(shù)學(xué)、技術(shù)等方面的思想引入到物理課堂，通過(guò)對(duì)具體任務(wù)的探究，學(xué)以致用，從突破學(xué)生的思維局限、提升學(xué)生的思維能力入手，多角度實(shí)施對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，進(jìn)而提煉、升華學(xué)生的能力.

新課程背景下的物理教學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，此文旨在表明物理教師將一些看似與物理學(xué)科無(wú)關(guān)的方法、工具應(yīng)用到物理教學(xué)中來(lái)，有時(shí)能創(chuàng)設(shè)出一些意想不到的“新方法”.

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（收稿日期：2019-11-24）