物理图像问题的信息化处理——几款常用软件在物理教学中的应用，本文主要内容关键词为：物理论文,几款论文,常用软件论文,图像论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
图像是一种语言，是表示规律的一种方法，是研究问题的一种手段。图像在物理学中有着重要的地位和作用。随着信息技术的发展，出现了大量绘图和处理图像信息的软件，如在物理图像教学中常用的软件就有：几何画板、Winplot、Excel、TI-83图形计算器等，笔者研究这4款常用软件后发现，它们在处理物理图像问题时各有所长。本文力图用各自软件中最方便、易掌握、最具优势的部分功能来辅助物理图像的教学，从而达到最高效地使用它们为物理教学服务的目的。
一、几何画板
几何画板是一个在数学和物理教学中常用的软件。用它绘制的图形，能动态地保持设定的几何关系不变。在绘制函数图像时，能设定多个可变化的参数。
下面利用几何画板具有“绘制多个可变参数的函数图像”特长，探究“电源输出功率与外电阻的关系”。
(1)电源输出功率与外电阻的关系式
设电源的电动势为E，内电阻为r，外电阻为R，则电源的输出功率P为
(2)电源输出功率与外电阻的关系图像
①启动几何画板，点击画板左侧的“直尺工具”，在绘图窗口画一线段，选择“编辑／属性”命令，在“属性”对话框的标签中输入表示电动势的字母“E”，如图1所示。
图1
②用鼠标点取线段E，选择“量度／长度”命令，这时将出现线段E的长度，如图2所示，我们用E的长度表示电动势的大小。
图2
③用同样的方法，画出表示电源内阻r大小的线段。
④选择“图表／新建函数”命令，在“新建函数”对话框中输入“E^2*x/(x+r)^2”，式中x表示外电阻的大小。在输入E和r时，只要点击表示E和r大小的线段即可，如图3所示.
图3
⑤点击“新建函数”对话框中“确定”按钮，这时在几何画板的绘图窗口将出现输入的函数式
，如图4所示。
图4
⑥用鼠标点取f(x)的关系式，选择“编辑／属性”命令，在“属性”对话框的标签中将f改为P，使f(x)的函数表达式更符合物理学中用P表示功率的习惯。
⑦用鼠标点取P(x)的关系式，选择“图表／绘制函数”命令，得到纵坐标表示电源的输出功率P，横坐标表示外电阻的“输出功率与外电阻关系的图线”，如图5所示。
图5
⑧用鼠标分别拖动线段E和线段r一侧小圆点的位置，改变线段的长度，即改变E、r的大小，就可得到不同电动势和内阻情况下的输出功率与外电阻关系的图线。
⑨点击画板左侧的“文本工具”，在绘图窗口加上标题，最后再调整线段、文字以及图像的位置，以美化界面。
二、Winplot
Winplot是一款具有强大作图功能的数学绘图软件。它能够同时绘制多个函数图像或非函数关系的曲线方程图像。它不仅可以绘制二维图像而且也可以绘制三维图像。
下面利用Winplot具有“同时绘制多个非函数关系的曲线方程图像”特长，探究“不等量异种电荷的等势面的形状”。
1.不等量异种电荷等势面的公式
图6
图7
图8
③选取Equa/Inventory命令，将出现如图9所示的对话框，点击对话框中的“dupl”按钮，在出现的F(x,y)=0对话框中输入第2个等势面的关系式，点击“ok”将画出第2条等势面。
图9
④重复进行步骤③的操作，直到将需要画出的等势面全部画出，如图10所示，图中等势面所标电势数值的单位为kV，为便于区别与美化图片，可以将不同的等势面设置成不同的颜色。
图10
三、Excel
Excel是一种用途广泛的电子表格软件，它对数据有很强大的图像处理功能，是我们处理实验数据时常用的软件之一。
下面利用Excel具有的“通过描点绘制图像并进行线性拟合”特长，处理“闭合电路中电流与外电阻关系”实验中所得到的数据。
①输入数据：在新建的Excel工作表中输入外电阻R及回路电流I的实验数据，并生成电流倒数
的数值，如图11所示。
图11
②插入图表：选择“插入／图表”命令，弹出“图表向导-4步骤之1-图表类型”对话框，在对话框中选择“XY散点图”子图表类型为“散点图”。点击“下一步”，在“图表向导-4步骤之2-图表源数据”对话框中，选择“系列”选项卡，并将选项卡里的“X值”的数据区域选取为图11表格中的电阻值，“Y值”的数据区域选取为图11表格中的电流倒数值。再点击“下一步”，在“图表向导-4步骤之3-图表选项”对话框中，输入标题“电流与外电阻的变化关系”、X轴名称“电阻R”和Y轴名称“电流倒数1/I”。继续点击“下一步”，在“图表向导-4步骤之4-图表位置”对话框中，选择“作为其中的对象插入”，点击“完成”。结果如图12所示。
图12
③直线拟合：点击图表中的数据所对应的坐标点以选取数据，再选择“图表／添加趋势线”命令，在“添加趋势线”的“类型”选项卡中选“线性”，“选项”选项卡中选中“显示公式和显示及
的值”两项，“确定”后图表如图13所示。
④物理意义：图13右上方所示的公式y=04657x+1.098 8表示电流与外电阻的关系为：=0.4657R+1.0988。趋势线=0.9979，表明电流倒数与外电阻R之间存在较密切的线性关系。
图13
四、TI-83图形计算器
TI-83图像计算器具有数据运算、绘图、实验数据的采集及数据处理和拟合的功能，在计算机中使用的TI-83图形计算器软件，包含除图形计算器实物具有的数据采集功能之外的所有功能。
下面利用TI-83图像计算器具有“绘制图像，并能从图像中获取信息”特长，求解一道物理习题。
(1)题目：一辆摩托车在路口以2
的加速度从静止开始匀加速行驶，恰在此时，一辆汽车以4m/s的速度、1的加速度匀加速从身边经过，试求：摩托车与汽车在再次相遇前经过多少时间两车相距最远？此时各自运动的距离分别为多少？
(2)作图与求解
本题用图像法求解：画出摩托车与汽车的速度—时间图像，图线交点坐标的横坐标就是相距最远时所对应的运动时间t，图线在时间t内与横轴所围的面积就表示各自的位移。
图4
图15
③点击“CALC”键，显示CALCULATE菜单，如图16所示。菜单中各命令含义为：对给定X值计算Y的值、求函数零点、求函数最小值、求函数最大值、求两个函数交点、求函数数值导数和求函数数值积分。
图16
④选取第5个命令，得到两直线的交点为X=4，Y=8，即经过4s两车相距最远，如图17所示。
⑤点击“CALC”键，再次显示CALCULATE菜单，选取第7个命令，并在图线
上设左边界为0，右边界为4，得到图线与横轴所围面积为16，即摩托车运动的位移为16m，如图18所示。同样的方法得到汽车运动的位移为24m。
五、结束语
比较研究发现，仅从几何画板、Winplot、Excel和TI-83图形计算器对图像的处理功能而言，每款软件最方便、最快捷、最具优势的地方是：几何画板能够画出具有可变参数的函数图像；Winplot能够同时画出多个非函数关系的曲线方程的图像；Excel既能处理数据，也能对图线进行拟合；TI-83图像计算器软件不仅能够画函数图像，而且还具有分析图像交点、斜率、面积等信息的功能。
图17
图18
在实际使用上述几款软件时，我们不必对它们都做深入的研究，只要按文中介绍的案例动手做一次，就能在最短的时间掌握各个软件最具特长的部分功能，最终将它们炉火纯青地运用于物理图像的教学实践中。