利用Office等办公软件研究物理问题

田川

摘 要：以初中物理滑动变阻器的最大功率（或高中物理电池的最大输出功率）为例，指出office等办公软件在研究该问题时的创造性应用，开阔学生视野，增进教师教学研究的技术方法，培养学生的STEM素养，发展物理学科的核心素养.

关键词：STEM，Office软件，几何画板，核心素养，创造力

文章编号：1008-4134（2020）08-0053    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

初中物理教学中，当滑动变阻器和一个定值电阻串联时，通过调节滑动变阻器的滑片，可以改变滑动变阻器的功率.当滑动变阻器的阻值等于该定值电阻的阻值时，滑动变阻器的功率将会最大.在实际教学中，此结论常用推导公式的方式加以证明.

此文在傳统常规证明的基础上，给出3种创新的证明方式，供大家参考.

1 用PPT证明

首先，确定原理.设电源的电压为U0，定值电阻为R0，滑动变阻器两端的电压为U，电流为I，则U=U0-IR0，绘成函数图，如图1所示.显而易见，滑动变阻器的功率就是图1中横纵坐标乘积所对应的面积，如能证明横坐标为U0/2R0时对应的面积最大，也就证明了R滑= R0时，滑动变阻器的功率将会最大.

接着在PPT界面下，随机绘制一段斜线，选择加粗，改为醒目的红色.如图2所示，复制它，改为蓝色，移动线条，使其首尾刚好相接.然后绘制一个矩形框，移动矩形框，当自动出现一条竖直虚线时，表明红色线的末端落在矩形框左侧的竖直边的延长线上（即对齐），同理让蓝色线的末端落在矩形框下侧水平边的延长线上.然后用鼠标双击矩形框，界面的右上角会显示该矩形框的“长度”和“宽度”，如图3所示.用它们的乘积来模拟滑动变阻器的“功率”.

然后，用鼠标点住矩形框的右上角的A点，使这个点沿着斜线移动，移动过程中矩形框的“左边”和“下边”会自行锁定，“上边”和“右边”会自动响应A点的移动，这样就可以自动生成新的“面积”.用面积的变化模拟功率的变化.

辅以一个计算器，操作显示，不管斜线的倾斜程度如何改变，当A点到达红线与蓝线的分界点时，矩形框的面积总是最大的.这也就证明了滑动变阻器的阻值等于该定值电阻的阻值时，滑动变阻器的功率将会最大.

2 用Excel证明

首先，确定原理.设电源的电压为U0，定值电阻为R0，滑动变阻器两端的电压为U，电流为I，则U=U0-IR0，接着假设电源电压为9V，定值电阻R0=3Ω，即可得U=9-3I.打开Excel，选择一列，从上到下输入电流值，间隔为0.2A，临近1.5A时，取值稍微密集些.然后使用Excel强大的函数功能，直接下拉，获得电压值，然后利用Excel求电流、电压两列数据的乘积（见表1）.

具体步骤为双击0.2、8.4数据右边的空格，点击任务栏中的“公式”一栏，在出现的“求和符号”栏中选择最下面的“其它函数”，在弹出的对话框中的“搜索函数”中输入汉字“乘积”，在弹出的对话框中依次点击“确定”，就会出现1.68.选中1.68，向下拉，于是每列就显示对应的乘积.

从显示的数据中可以看出当电流为1.5A时，功率最大.由此可证明滑动变阻器的阻值等于该定值电阻的阻值时，滑动变阻器的功率将会最大.

接着还可以使用Excel求商，即获得每个状态所对应的电阻值.

具体步骤为双击空格，键入“=”号，输入对应的坐标，比如8.4V在Excel中的坐标为G8，0.2A在Excel中的坐标为J8.则在空格中再输入G8/J8，点击Enter即出现42，选中42，下拉即得对应比值，即滑动变阻器接入的阻值.选中功率和电阻所在的两列，插入函数图像散点图，便如图4所示.从图4可以直观地看出随着滑动变阻器接入阻值的变大，滑动变阻器的功率先增大后减小.

3 用几何画板证明

首先确定滑动变阻器功率的表达式，设电源的电压为U0，定值电阻为R0，滑动变阻器接入的阻值为R滑，则滑动变阻器的功率P=U20R滑（R0+R滑）2=U202R0+R20R滑+R滑.

为了方便绘制函数图，可假设电源电压等于6V，定值电阻等于4Ω.于是可以在几何画板软件中输入函数g（x）= 368+16x+x，生成的图像轮廓如图5曲线中的（甲）所示，从图中不难看出，当R滑=4Ω时，滑动变阻器的功率最大.

同理，若假设电源电压等于6V，定值电阻等于3Ω，则生成的图像轮廓如图5中的曲线（乙）所示，从图中不难看出，当R滑=3Ω时，滑动变阻器的功率最大.

若假设电源电压等于6V，定值电阻等于2Ω，则生成的图像轮廓如图5中的曲线（丙）所示，从图中不难看出，当R滑=2Ω时，滑动变阻器的功率最大.

若假设电源电压等于9V，定值电阻等于2Ω，则生成的图像轮廓如图5中的曲线（丁）所示，从图中不难看出，当R滑=2Ω时，滑动变阻器的功率最大.

由此可得，当滑动变阻器的阻值等于该定值电阻的阻值时，滑动变阻器的功率将会最大.

4 结束语

PPT是学生最熟悉的办公软件之一，巧妙地将它与物理教学融合在一起.是创造力、想象力的体现，在课堂上不仅能带来“耳目一新”的感觉，还能培养学生突发奇想的意识，和敢于创新的勇气.同时也不妨告诉学生，实际上PPT在该探究项目中扮演着一把“数字化刻度尺”的角色，也启示学生，应当具备在特定条件下使用数字化工具的意识和能力.

利用Excel强大的函数运算功能，不仅可以很快获得“当R滑等于R定时，R滑的功率将会最大”的相关物理规律.它还可以清晰明了地让学生看到，R滑的功率是如何随着R滑的增大，先变大后变小的.在传统的教学中，在判定R滑的功率存在一个极大值后，往往凭借以往的教学经验用粉笔在黑板上勾勒出类似于图5的图像轮廓.严格说来，这样的教学片段有失严谨，因为教师并未说明图像弯曲细节的相关原因，即为何是这样弯，而不是朝那边拐，教师未作相应的交代.而Excel的使用恰恰弥补了这一困难.

几何画板是数学学科必不可少的教学软件，对于物理学科来说，该软件的优点是可以将某个公式的轮廓简单迅捷地显示出来，可以增强物理公式的直观性.当物理公式不是线性关系时，用几何画板来显示图像轮廓显得非常便捷.有时候，再结合分析相应的坐标值，还可以对物理规律进行定量分析.因此，作为物理教师也应该了解并利用好几何画板这一优秀的绘图工具.

通过将Office等办公软件创造性地用于解决具体的物理问题，可以让学生深切地感受到物理学科与信息技术深度融合[1]的价值与乐趣，是教学手段上的一种创新.

这些研究方式，还可以布置成学生课外的STEM学习项目，在动手操作的过程中收获学习的快乐.每位同学研究一个项目，通过交流研究学习的心得体会，一位同学提供一组研究数据，当众多同学的研究数据汇集在一起时，就是在践行科学探究的“多次实验”.在教学中从学生的需要、动机、心态和兴趣等心理机制出发，将STEM理念应用到物理教学中，既打破了传统教学局限，还将数学、技术等方面的思想引入到物理课堂，通过对具体任务的探究，学以致用，从突破学生的思维局限、提升学生的思维能力入手，多角度实施对学生核心素养的培养，进而提炼、升华学生的能力.

新课程背景下的物理教学注重培养学生的创新实践能力，发展学生的学科核心素养，此文旨在表明物理教师将一些看似与物理学科无关的方法、工具应用到物理教学中来，有时能创设出一些意想不到的“新方法”.

参考文献：

[1]郑成绩，曹义才，郑志强.素养立意下的初中物理教改与创新——物理新思维教学建构[J].物理教学，2019，41（07）：51-53.

[2]金朝娣.浅析STEM理念在高中物理核心素养培养中的应用——以“水火箭制作比赛”教学为例[J].物理教学，2019，41（09）：16-19.

[3]陈佳.高中“数字化實验”与传统物理实验的教学案例对比研究——以实验“验证力的平行四边形法则”为例[J].湖南中学物理，2019，34（11）：24-26.

[4]叶军，黄彦焱.“中学物理数字化实验与STEM活动”课程开发的实践与思考[J].中学物理，2019，37（21）：12-15.

[5]高静.基于信息技术的初中物理实验教学思考[J].科学咨询（教育科研），2019（12）：156.

（收稿日期：2019-11-24）