利用Excel图像处理高中电学中的极值问题

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  摘 要:Excel软件具有强大的计算和作图功能,如在复杂的计算问题中恰当使用可以收到事半功倍的效果,也能使问题更加直观形象,能加深学生的印象,提高教学效果。
  关键词:Excel;电学;图像;极值
  中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2016)2-0054-2
  在高中电学教学中,由于学生的思维能力和数学计算能力的限制,有的问题无法讨论清楚。Excel软件具有强大的数据统计、分析计算、制作图表的功能。在物理教学中,如果恰当运用Excel软件能够使问题迎刃而解。
  例 如图1所示,ab为两等量正点电荷的连心线,O为ab的中点,cd为两电荷的中垂线。试分析:在中垂线上O点到无穷远电场强度的变化情况以及ab连线上场强的变化情况。
  为常数,EP的变化由cos2θsinθ决定。但是,利用数学知识讨论其变化规律在高中阶段比较困难。
  利用Excel可以很好地解决这一难题。首先,在新建的Excel文件B2单元格输入“角度θ”,C2单元格输入“2cosθcosθsinθ的值”。然后在B3—B92单元格内分别输入1~90的数字,在C3单元格内输入“=COS(B3*PI()/180)*COS(B3*PI()/180)*SIN(B3*PI()/180)*2”,然后回车。将鼠标移到C3的右下角,当鼠标的符号变为“ ”时双击,此时Excel会自动地在C3到C92单元格内计算出相应的cos2θsinθ的值,如表1所示。从C列数据可以看出,当θ角大约为35 °时,其值最大。采用“选择B、C两列数据—插入散点图—选中散点图中某点点击右键选择添加趋势线—根据散点图的走向选择相符的趋势线类型”的方法可以作出2cos2θsinθ与θ的函数图像(如图2所示)。当然,如果我们需要更加精确的话,在B列中可以从0.1、0.2……一直到90.0来进行计算。
  同样,根据物理规律可知:在ab的连心线上电荷之间的区域内的场强表示离开O点的距离,此公式中只有d是变量。首先,在新建的Excel文件B2单元格内输入“r”,在C2单元格内输入“d”,在D2单元格内输入“E的值”。然后,在B3—B11单元格内都输入“10”,代表r的初始值。在C3—C11单元格内输入1~9,在D3单元格内输入“=1/(B3-C3)^2 1/(B3 C3)^2”,然后双击D3右下角的“ ”,得到其他单元格的值。最后,选取C、D两列插入散点图,描出趋势线如图3所示(d=r时无法计算舍去)。
  从图中可以看到d越趋近于r,也就是越靠近电荷,场强会越大。从而明确在电荷的连心线上场强的分布情况,这种方法处理后比学生根据电场线得到的印象更深刻、更有说服力。同理,等量同种电荷的中垂线和连心线上的场强分布也能用以上办法得到。
  利用此方法能够证明如图4所示的电路中,当R0的电阻等于R r的阻值时,R0的功率出现最大值。数据如图5所示(本题假设R=7 Ω,r=2 Ω,E=6 V)。
  图5 函数图像及数值表3
  随着信息技术的不断普及和应用,很容易被现在的学生所接受和掌握。利用Excel软件强大的数据处理功能和函数作图功能可以促进中学物理教学。在教学中能够恰当、巧妙地发挥Excel的作用,既能节约教学时间,又能形象、直观地反映问题,突破难点。Excel的功能还很多,需要进一步挖掘和探索。
  参考文献:
  [1]徐清洪.Microsoft Excel软件辅助物理实验教学[J].物理通报,2012(6):89—91.
  [2]罗志恒.用Excel研究合力和两个分力夹角的变化关系[J].物理教学探讨,2015,33(5):54.
  [3]李飞跃.Excel在物理实验教学中的应用[J].中国现代教育装备,2013(10):70—71.
  (栏目编辑 王柏庐)
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