利用Office等辦公軟件研究物理問題

田川

摘 要：以初中物理滑動變阻器的最大功率（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題時的創造性應用，開闊學生視野，增進教師教學研究的技術方法，培養學生的STEM素養，發展物理學科的核心素養.

關鍵詞：STEM，Office軟件，幾何畫板，核心素養，創造力

文章編號：1008-4134（2020）08-0053 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

初中物理教學中，當滑動變阻器和一個定值電阻串聯時，通過調節滑動變阻器的滑片，可以改變滑動變阻器的功率.當滑動變阻器的阻值等于該定值電阻的阻值時，滑動變阻器的功率將會最大.在實際教學中，此結論常用推導公式的方式加以證明.

此文在傳統常規證明的基礎上，給出3種創新的證明方式，供大家參考.

1 用PPT證明

首先，確定原理.設電源的電壓為U0，定值電阻為R0，滑動變阻器兩端的電壓為U，電流為I，則U=U0-IR0，繪成函數圖，如圖1所示.顯而易見，滑動變阻器的功率就是圖1中橫縱坐標乘積所對應的面積，如能證明橫坐標為U0/2R0時對應的面積最大，也就證明了R滑= R0時，滑動變阻器的功率將會最大.

接著在PPT界面下，隨機繪制一段斜線，選擇加粗，改為醒目的紅色.如圖2所示，復制它，改為藍色，移動線條，使其首尾剛好相接.然后繪制一個矩形框，移動矩形框，當自動出現一條豎直虛線時，表明紅色線的末端落在矩形框左側的豎直邊的延長線上（即對齊），同理讓藍色線的末端落在矩形框下側水平邊的延長線上.然后用鼠標雙擊矩形框，界面的右上角會顯示該矩形框的“長度”和“寬度”，如圖3所示.用它們的乘積來模擬滑動變阻器的“功率”.

然后，用鼠標點住矩形框的右上角的A點，使這個點沿著斜線移動，移動過程中矩形框的“左邊”和“下邊”會自行鎖定，“上邊”和“右邊”會自動響應A點的移動，這樣就可以自動生成新的“面積”.用面積的變化模擬功率的變化.

輔以一個計算器，操作顯示，不管斜線的傾斜程度如何改變，當A點到達紅線與藍線的分界點時，矩形框的面積總是最大的.這也就證明了滑動變阻器的阻值等于該定值電阻的阻值時，滑動變阻器的功率將會最大.

2 用Excel證明

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

具體步驟為雙擊0.2、8.4數據右邊的空格，點擊任務欄中的“公式”一欄，在出現的“求和符號”欄中選擇最下面的“其它函數”，在彈出的對話框中的“搜索函數”中輸入漢字“乘積”，在彈出的對話框中依次點擊“確定”，就會出現1.68.選中1.68，向下拉，于是每列就顯示對應的乘積.

從顯示的數據中可以看出當電流為1.5A時，功率最大.由此可證明滑動變阻器的阻值等于該定值電阻的阻值時，滑動變阻器的功率將會最大.

接著還可以使用Excel求商，即獲得每個狀態所對應的電阻值.

具體步驟為雙擊空格，鍵入“=”號，輸入對應的坐標，比如8.4V在Excel中的坐標為G8，0.2A在Excel中的坐標為J8.則在空格中再輸入G8/J8，點擊Enter即出現42，選中42，下拉即得對應比值，即滑動變阻器接入的阻值.選中功率和電阻所在的兩列，插入函數圖像散點圖，便如圖4所示.從圖4可以直觀地看出隨著滑動變阻器接入阻值的變大，滑動變阻器的功率先增大后減小.

3 用幾何畫板證明

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

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

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

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

若假設電源電壓等于9V，定值電阻等于2Ω，則生成的圖像輪廓如圖5中的曲線（丁）所示，從圖中不難看出，當R滑=2Ω時，滑動變阻器的功率最大.

由此可得，當滑動變阻器的阻值等于該定值電阻的阻值時，滑動變阻器的功率將會最大.

4 結束語

PPT是學生最熟悉的辦公軟件之一，巧妙地將它與物理教學融合在一起.是創造力、想象力的體現，在課堂上不僅能帶來“耳目一新”的感覺，還能培養學生突發奇想的意識，和敢于創新的勇氣.同時也不妨告訴學生，實際上PPT在該探究項目中扮演著一把“數字化刻度尺”的角色，也啟示學生，應當具備在特定條件下使用數字化工具的意識和能力.

利用Excel強大的函數運算功能，不僅可以很快獲得“當R滑等于R定時，R滑的功率將會最大”的相關物理規律.它還可以清晰明了地讓學生看到，R滑的功率是如何隨著R滑的增大，先變大后變小的.在傳統的教學中，在判定R滑的功率存在一個極大值后，往往憑借以往的教學經驗用粉筆在黑板上勾勒出類似于圖5的圖像輪廓.嚴格說來，這樣的教學片段有失嚴謹，因為教師并未說明圖像彎曲細節的相關原因，即為何是這樣彎，而不是朝那邊拐，教師未作相應的交代.而Excel的使用恰恰彌補了這一困難.

幾何畫板是數學學科必不可少的教學軟件，對于物理學科來說，該軟件的優點是可以將某個公式的輪廓簡單迅捷地顯示出來，可以增強物理公式的直觀性.當物理公式不是線性關系時，用幾何畫板來顯示圖像輪廓顯得非常便捷.有時候，再結合分析相應的坐標值，還可以對物理規律進行定量分析.因此，作為物理教師也應該了解并利用好幾何畫板這一優秀的繪圖工具.

通過將Office等辦公軟件創造性地用于解決具體的物理問題，可以讓學生深切地感受到物理學科與信息技術深度融合[1]的價值與樂趣，是教學手段上的一種創新.

這些研究方式，還可以布置成學生課外的STEM學習項目，在動手操作的過程中收獲學習的快樂.每位同學研究一個項目，通過交流研究學習的心得體會，一位同學提供一組研究數據，當眾多同學的研究數據匯集在一起時，就是在踐行科學探究的“多次實驗”.在教學中從學生的需要、動機、心態和興趣等心理機制出發，將STEM理念應用到物理教學中，既打破了傳統教學局限，還將數學、技術等方面的思想引入到物理課堂，通過對具體任務的探究，學以致用，從突破學生的思維局限、提升學生的思維能力入手，多角度實施對學生核心素養的培養，進而提煉、升華學生的能力.

新課程背景下的物理教學注重培養學生的創新實踐能力，發展學生的學科核心素養，此文旨在表明物理教師將一些看似與物理學科無關的方法、工具應用到物理教學中來，有時能創設出一些意想不到的“新方法”.

參考文獻：

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[3]陳佳.高中“數字化實驗”與傳統物理實驗的教學案例對比研究——以實驗“驗證力的平行四邊形法則”為例[J].湖南中學物理，2019，34（11）：24-26.

[4]葉軍，黃彥焱.“中學物理數字化實驗與STEM活動”課程開發的實踐與思考[J].中學物理，2019，37（21）：12-15.

[5]高靜.基于信息技術的初中物理實驗教學思考[J].科學咨詢（教育科研），2019（12）：156.

（收稿日期：2019-11-24）