Excel在物理实验教学中的应用

文 李飞跃

Excel电子表格软件有很强的数字处理功能，如果能够合理地加以开发和利用，在教学中会起到很好的作用，比如可以使数据处理变得简单，使一些抽象的数字形象化，使描点作图一挥而就，使实验结果一目了然。本文就针对Excel在物理实验中的几种常见应用进行探讨。

例如，用Excel电子表格进行“探究弹力和弹簧伸长的关系”的数据处理时，可以先在表格中输入测量数据，然后将输入的两列或两行数据选中，再点击菜单栏中的“插入”菜单下的“图表”选项，在弹出的对话框中选择“XY散点图”，点击“下一步”，再点击“下一步”，在图表向导步骤之三上填写上“图表标题”“x轴”和“y轴”，点击“完成”，然后在图表散点中选中所描的点，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单对话框中点击“添加趋势线”，再在弹出的面板“类型”选项中选中线形，在“选项”选项中选中“显示公式”，再单击“确定”，一个图表就画好了，根据图表公式的斜率可直接读取弹簧的劲度系数。

在电学实验“分压电路和限流电路的选择”以及“滑动变阻器的选择”中，诸如分压电路和限流电路有何区别、变阻器的选择原则是什么等问题，如果直接告诉学生结果，学生会由于不知其所以然而不能领会物理学真谛，更无法融会贯通。下面就说明如何利用Excel解释电路和变阻器的选择。

(1)电源电压3 V，灯泡电阻10 Ω，采用如图1所示的限流电路。为了方便地调节灯泡两端电压并使灯泡电压有一个较大的取值范围，所选用的滑动变阻器应为：

A.1 Ω B.10 Ω C.100 Ω D.1 000 Ω

图1

对该问题，首先要告诉学生：所谓“方便地调节”，即每当变阻器的滑片滑动一定距离时，灯泡两端的电压就会有一个相应的、比较明显的变化，故变阻器接入电路中的电阻与灯泡两端电压之间有一个近似线性的关系为最好。我们可以根据串联电路的电压分配原则，分别把每一个电阻的阻值进行十等分连入电路，用Excel公式计算出灯泡两端的电压，然后作图，观察灯泡电压与电阻的关系图像就可以一目了然。图2分别为R=1 Ω，10 Ω，100 Ω，1 000 Ω时的图像。

从图像中可以明显看出，当R=1 Ω时，线性关系最好，但测量范围却很小，不满足“使灯泡电压有较大的取值范围”的条件。当R=1 000 Ω时，电压与电阻的线性关系不好且可测量范围也很小，因此也不适合。当R=100 Ω时，虽然可测量范围比较大，但线性关系不好，在刚开始时变阻器滑片移动很小电压就有较大变化，而到后来电阻变化很大电压却变化很小，也不好。两方面综合考虑，当R=10 Ω时，灯泡电压既有较大的变化，而且也有比较好的近似线性的关系。因此可得出结论：在限流电路中，当变阻器的阻值与待测电阻相当时较好，太大或太小都不合适。

图2

(2)如果将上述限流电路改为分压电路，其他条件不变，如图3所示，该如何去选择呢？

图3

我们可以根据同样的方法用Excel电子表格画出它的图像，再利用图像进行分析。图4是用Excel电子表格做出的4个图像。

根据这4个图像，可以很明显地看出，无论变阻器的电阻多大，分压电路所能调节的电压范围都是从零到电源电动势，可改变的电压范围都相同。变阻器的电阻越小，待测电阻两端的电压与并联接入电路中变阻器的电阻的关系越接近于线性关系。当变阻器的全电阻很大时，不适合分压电路。由此得出：当采用分压电路时，所选择的变阻器的全阻值应与待测电阻的阻值差不多或更小一些。

图4

通过这样的分析，学生就很容易理解变阻器的选择原则，并且知道分压电路的电压可以从零开始调节、电压的可调节范围大；当实验时要求待测电阻的电压从零开始连续可调节，或要求多测几组数据描点作图时，应选择分压电路。

[1] 邢红军.中学物理论文写作教程[M]. 郑州：河南科学技术出版社,1993.

[2] 陈清梅,胡扬洋,邢红军.物理高端备课：构建U-S合作的桥梁：以“生活中的圆周运动”为例[J].教育科学研究,2013(12)：55-60.