在物理教学中应用Excel软件分析数据的研究

在物理教学中应用 Excel软件分析数据的研究

王立松

浙江省 杭州市萧山区第二高级中学， 浙江 杭州 311251

一、研究背景

2020年，基于新课程标准编写的人教版高中物理新教材，正式在浙江省启用。新教材，贯彻了新课程标准中的教学理念，重视信息技术在教学中的应用，多处体现了信息技术与物理教学的融合，例如用表格软件分析处理数据，用手机APP测量重力加速度，用传感器来重新呈现传统的物理实验等等。

物理学是一门以实验为基础的学科，离开了实验就不会有物理学。而做物理实验，我们必然需要对实验数据进行处理。传统的纸笔演算，不仅速度慢，浪费宝贵的课堂时间，而且还容易喧宾夺主，分散学生的注意力，干扰学生对物理知识的学习。一节课的时间只有40分钟，是有限的，学生用于低效的纸笔演算时间多了，其用于高效的科学探究时间就少了。因此，物理课堂上利用表格软件处理数据，是有研究意义和实践价值的。

二、利用Excel软件研究物理规律

在物理实验教学中,我们借助Excel软件计算，只需将有关的数据输入计算机，平常需要演算1、2分钟的数据处理，现在只几秒钟答案就出来了，非常方便。除此之外，Excel软件还可以实现对实验数据的图像处理，把实验数据快速准确地转化为物理图象，将实验数据以图像的方式形象直观地描述出来，使其物理意义更加明确。我们还利用Excel软件的添加趋势线和显示公式功能，准确地求得一些未知的物理量。

（一）利用Excel软件研究自由落体运动的运动性质

处理记录了重物下落过程的一条纸带，每两个点作为一个计数点，记为A，B，C，D，E，F，G，每两个计数点之间的时间间隔为T=0.04s；然后请两位同学上来帮助测量各个计数点的位置，整个测量过程利用同屏技术向全体学生展示。在测量位置时，都选取A点为初始位置，减少测量误差。

经过两位同学的测量，得到以下数据：

将数据输入Excel软件，开始处理数据，具体步骤如下：

（1）打开Excel软件，在A列单元格中输入计数点的编号，在B列单元格中输入该计数点的位置（即与A点的距离），

（2）在D列单元格中输入位移的编号，在E列单元格中输入该段位移所对应的时间间隔，在F列单元格中求得位移的大小：在F2单元格中输入“=”，单击B4单元格，输入“-”，单击B2单元格，敲“回车”键，就求得了位移AC的大小（可以将求位移的方法预先输入到计算机中），然后利用计算机的自动填充功能，就可以求得位移BD、CE、DF、EG的大小，

（3）最后我们就可以计算各个点的瞬时速度，只需将F列的数据除以E列所对应的数据即可。在J列单元格中求得重物瞬时速度的大小：在J1单元格中输入“=”，单击F2单元格，输入“*0.01”，输入“/”，单击E2单元格，敲“回车键”，就求得了B点的瞬时速度的大小（可以将求瞬时速度的方法预先输入到计算机中），然后再利用自动填充功能，就可以求得C、D、E、F点的瞬时速度大小了。我们将计数点B的时刻记为t=0，那么计数点C的时刻就是t=0.04s，计数点D、E、F依次对应。

我们借助Excel软件十分迅速地求出了瞬时速度，接下来我们就开始绘制速度时间图像，具体步骤如下：

（1）用鼠标选中绘图所需的数据，即I列（时刻）和J列（速度），然后点击菜单“插入”中的作图图标，出现“图表向导—4步骤之1—图标类型” （在其中选取“XY散点图” ）和“子图表类型”（在其中选取“平滑线散点图” ）。

（2）然后点击“下一步”，出现“图表向导—4步骤之2—图表源数据”（用默认情况即可）。

（3）再点击“下一步”，出现“图表向导—4步骤之3—图表选项”（在图表标题中输入“v-t图” ，在数值x轴中输入“t(s)” ，在数值y轴中输入“v(m/s)” ）。

（4）再点击“下一步”，出现“图表向导—4步骤之4—图表位置”（选作为其中的对象插入）。

（5）点击完成。

这样，我们就迅速地完成了速度时间图像的描点。

观察图像，我们发现在图像中，点大致分布在一条直线的两旁，因此我们可以用一条光滑的直线将这些点连结起来，用Excel软件也可以完成这样的任务。

我们选中图表中的数据点，点击右键，选择“添加趋势线” ，在“类型”标签中选择“线性”，这样我们就得到了重物的速度时间图像。

我们观察到重物的速度时间图像是一条倾斜的直线，所以我们可以判定重物的自由落体运动是一种匀变速直线运动。又因为自由落体运动是从静止出发，因此自由落体运动的运动性质为初速度为零的匀加速直线运动。

接下来，我们依然可以通过Excel软件求直线的斜率—即物体的加速度，我们选中图像中的数据点，点击右键，选择“趋势线格式”，在“标签”选项中选择“显示公式”和“显示R平方值”，单击“确定”

教师提问：大家看一看书上的“一些地方的重力加速度”，为什么我们测量出来的加速度要比书上给出的重力加速度要小一点呢？

学生讨论：因为重物做的并不是真正的自由落体运动，重物在下落过程中或多或少要受到空气阻力的影响，同时，纸带与打点计时器之间的摩擦力也会对测量结果造成影响。

教师提问：我们如何减小这种影响或者说是误差呢？

学生讨论：可以加重重物的重量，减少空气阻力带来的误差；还可以换一种更加光滑的纸带，减少纸带与打点计时器之间的摩擦。

教师提问：如果我们测量时出现了误差，例如我们将计数点G与起始点A点的距离测量成了48.27cm，会对我们的重力加速度的测量造成什么影响？

我们得到的数据如下：

学生讨论：（1）我们只是一个数据测量错误，对重力加速度的测量不会造成太大的影响；（2）我们有一个数据测量错误，就一定会对重力加速度的测量造成影响，所以应该将这个错误的数据排除。

教师总结：如果我们将计数点G这个错误的数据考虑进去，我们得到的重力加速度是11.884m/s²， 只有0,9584；而如果我们将计数点G这个错误的数据去除，我们得到的加速度是9.4094m/s²， 有0.9999。因此，我们在碰到错误的数据时，要将这个数据舍去，就像碰到一个烂苹果，我们要将它丢弃，否则会吃坏肚子。

（二）利用Excel软件研究其他物理规律

在高中物理教学中，我们可以使用Excel软件来探究的物理规律还有很多很多：（1）凡是能得到两种物理量对应数据，都能用图象把这两种物理量的关系表示出来；（2）凡是能推导出两种物理量之间的函数关系和公式的，也能用图象表示出来；（3）凡是我们知道两种物理量之间的关系是线性的或多项式的、指数的、对数的等等，都可以用添加趋势线和显示公式的方法来处理。总之，Excel软件强大的数据处理功能和图象处理功能，对物理教学，尤其是用于数据处理和图像描绘都可以起到极其重要的作用。

三、小结

在高中物理教学中，我们应该自觉地应用现代信息技术于课堂，从计算机辅助教学开始，不断地深化信息技术在课堂教学中的应用，使教学模式在问题产生的情景、呈现的方式、探索问题解决的方法和手段等方面更具有科学化、形象化、数字化。