圖像法在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究

沈曉虎

【摘 要】 物理學(xué)科來源于生活而又高于生活，縱觀物理學(xué)科的發(fā)展歷程，人們從由淺及深的物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)主觀物理規(guī)律，再通過物理實(shí)驗(yàn)的反復(fù)驗(yàn)證，得到客觀的物理定律，最終再將物理定理運(yùn)用到生活中，解決實(shí)際物理問題.在這整個(gè)過程中，都離不開函數(shù)圖像的應(yīng)用，尤其是在復(fù)雜物理過程的認(rèn)識(shí)、主觀物理規(guī)律的研究、抽象物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)及特殊物理問題的解決上.本文將基于物理學(xué)科的上述演變過程，對(duì)圖像法在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用開展研究分析，旨在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思維能力.

【關(guān)鍵詞】 高中物理;物理實(shí)驗(yàn);教學(xué)應(yīng)用

在“布魯納的認(rèn)識(shí)-發(fā)現(xiàn)教學(xué)”理論中指出，學(xué)習(xí)知識(shí)的最佳方式是發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)，學(xué)生們只有經(jīng)歷主動(dòng)觀察和獨(dú)立思考，才能對(duì)知識(shí)產(chǎn)生更加深刻的理解.高中物理函數(shù)圖像法教學(xué)的精髓是將抽象的物理問題轉(zhuǎn)化成直觀的圖形語言，通過圖像法的應(yīng)用，清晰地揭示圖形中各個(gè)物理量的相互關(guān)系.在此過程中，可以充分發(fā)揮學(xué)生們的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育能效最大化目標(biāo).

1 借用圖像法，認(rèn)識(shí)復(fù)雜物理過程

物理學(xué)起源于日常生活，物理問題的提出都是以日常生活中的客觀場(chǎng)景為基礎(chǔ)，往往是以文字或符號(hào)的形式記錄保存下來.在高中物理的教學(xué)過程中，首先是以文字描述的形式，將物理過程描述出來，學(xué)生們通過文字閱讀的方式，將物理過程轉(zhuǎn)換成抽象的物理模型，形成最初的物理概念.受制于人類思維的局限性，當(dāng)簡(jiǎn)單的物理過程逐漸復(fù)雜化之后，學(xué)生們往往難以憑借主觀印象進(jìn)行有效解讀.對(duì)此，示意圖法是認(rèn)識(shí)復(fù)雜物理過程的必要方法，能夠在平面維度內(nèi)客觀反映物理過程的整體時(shí)空特征.示意圖最常應(yīng)用于高中物理力學(xué)分析過程，在力學(xué)問題的教學(xué)中，教師教學(xué)的第一步往往是要求學(xué)生們繪制力學(xué)示意圖，即是完成“受力分析”的過程.

例如 已知物理過程如下：有一質(zhì)量為M的機(jī)車，拖著一輛質(zhì)量為m的拖車，兩車均從靜止開始運(yùn)動(dòng)，同在一水平軌道上按照勻加速的方式運(yùn)動(dòng).具體運(yùn)動(dòng)過程如下：前10s行程內(nèi)前進(jìn)40m，隨即機(jī)車釋放拖車，機(jī)車仍然保持原牽引力行駛，再經(jīng)過10s行程后，兩車距離為60m，試求兩車質(zhì)量M與m的比值（不計(jì)任何阻力）.

根據(jù)題設(shè)描述，均為文字及符號(hào)形式，物理過程涉及兩物體、兩階段，若完全依靠主觀認(rèn)識(shí)來分析運(yùn)動(dòng)過程求解題設(shè)，必然會(huì)因?yàn)閺?fù)雜過程及無法聯(lián)系的即有物理量而難以求解.對(duì)此，教師首先要應(yīng)求學(xué)生們繪制出該過程的示意圖，在仔細(xì)審題后將題設(shè)條件及運(yùn)動(dòng)過程標(biāo)注于示意圖上.如圖1所示，教師可以引導(dǎo)學(xué)生們一步步繪制出求解示意圖，將原本的文字語言轉(zhuǎn)換成圖形語言.進(jìn)而再通過運(yùn)動(dòng)過程分析，兩車脫離前：

x=12at2，a=FM+m;兩車脫離后：機(jī)車前進(jìn)距離x1=v0t+12a1t2，拖車勻速運(yùn)動(dòng)前進(jìn)距離x2=v0t.且已知兩車相距60m，即是x1-x2=60，求出M：m=2：1.

2 活用圖像法，反映主觀物理規(guī)律

電學(xué)問題是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)，受制于電學(xué)的抽象性特征，學(xué)生們往往難以像力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)問題一樣得到直觀的物理規(guī)律認(rèn)識(shí).對(duì)此，教師不妨嘗試?yán)脠D像法，引導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行主觀物理規(guī)律探究.

例如 在伏安法測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻的教學(xué)中，常見的測(cè)量方法包括內(nèi)接法及外接法.在此試驗(yàn)測(cè)量方法中，必須解決以下問題：如圖2如何避免電壓表及電流表帶來的誤差影響、如何解決試驗(yàn)過程中電壓變化過小的問題、如何減小試驗(yàn)偶然誤差等.

針對(duì)試驗(yàn)過程中的電流表、電壓表均非理想電表，可以利用圖像來分析伏安法測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻的外接電流表試驗(yàn).首先，通過原理圖向?qū)W生們揭示外接電流表所測(cè)得的電流并非實(shí)際電源的電流，而是電源與電壓表電流的差值，即是IA=I-IU.于是可知，通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的電流值比公式U=-r·I=E中測(cè)得電流值要小.基于以上分析，便可以將U-I圖3中的IA轉(zhuǎn)換成IA+IU.得到對(duì)應(yīng)的U-I圖3.結(jié)合圖3可知，當(dāng)U=0時(shí)，IU=0，此時(shí)有IA+IU=IA.此時(shí)，保證U-I圖3與坐標(biāo)軸橫軸的截距不變，便可以得到此時(shí)真實(shí)電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻及測(cè)量電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻的關(guān)系，進(jìn)而分析出對(duì)應(yīng)的誤差規(guī)律.即是真實(shí)的電動(dòng)勢(shì)要比實(shí)際測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)更大.同時(shí)，基于誤差分析前后的U-I圖3，通過U-I圖3的斜率分析，可以真實(shí)的內(nèi)阻值也要大于實(shí)際測(cè)量的內(nèi)阻值.

3 巧用圖像法，挖掘抽象物理實(shí)驗(yàn)

圖像是分析未知物理規(guī)律的重要手段之一，尤其是針對(duì)高中物理規(guī)律教學(xué)，相較于初中物理知識(shí)點(diǎn)，其抽象性特征顯著提升.圖像法在物理規(guī)律教學(xué)中主要包括兩個(gè)方面：一方面是圖像法的直接應(yīng)用，如在物理運(yùn)動(dòng)特征分析過程中，利用直接獲取的物體運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)圖像或運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，遷移到直角坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換成函數(shù)圖像語言，通過對(duì)此類函數(shù)圖像語言的分析，反映出客觀物理規(guī)律.另一方面是根據(jù)物理學(xué)客觀印象，將原本抽象的物理過程轉(zhuǎn)換成具體的圖形語言.

例如 以物理運(yùn)動(dòng)特征過程分析為例，在單擺運(yùn)動(dòng)教學(xué)中，教師為了揭示單擺運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)規(guī)律，利用灌了墨汁的注射器作為單擺，如圖4所示，推動(dòng)注射器開始單擺運(yùn)動(dòng).同時(shí)，利用鋪設(shè)在注射器下方的白紙作為記錄單擺運(yùn)動(dòng)的載體，抽動(dòng)白紙盡可能使其勻速運(yùn)動(dòng)，則在白紙上留下的墨水痕跡就是單擺運(yùn)動(dòng)軌跡.此時(shí)，在白紙上繪制出坐標(biāo)軸，便可以進(jìn)一步得到單擺的s-t、v-t圖像，即可得到單擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

此外，在研究一些抽象的物理規(guī)律時(shí)，可以借用具體的圖像語言來表征其規(guī)律.在研究波的干涉規(guī)律教學(xué)時(shí)，水波作為波的一種，利用水波展示波的干涉規(guī)律，并適時(shí)宜的引入教材中波的波峰波谷教學(xué)內(nèi)容，將教材知識(shí)與圖像化物理語言緊密結(jié)合.同時(shí)，適當(dāng)?shù)貙?duì)圖形進(jìn)行軸對(duì)稱處理，結(jié)合以下示意圖5進(jìn)而更加深刻地揭示物理規(guī)律.

4 妙用圖像法，解決特殊物理問題

物理知識(shí)來源于生活，而最終又回歸到生活.對(duì)于學(xué)生們而言，解決物理實(shí)際問題的能力是判斷學(xué)生們對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握程度的重要途徑之一.尤其是在一些特殊物理問題的處理上，如高中物理非線性力學(xué)做功問題、非線性變化電流問題、面積類電荷量問題等等，都需要學(xué)生們有效利用好圖像法來解決此類特殊的物理問題.

在高中物理力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律問題的分析求解中，圖像面積法是最為常見的一類求解方法.已知在高中物理力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，主要包含速度（v）、運(yùn)動(dòng)時(shí)間（t）、牽引力（F）、功率（P）等，而這些物理量之間組成的函數(shù)圖形存在各式各樣的聯(lián)系，利用圖像面積法法可以解決一些特殊的物理問題.如v-t圖像，圖形與坐標(biāo)軸之間組成的面積即是時(shí)間t內(nèi)的位移;如F-x圖像，圖形與x軸圍成的面積就表示這段力在這段位移內(nèi)所做的功;如F-t圖像，圖形與t軸所圍成的面積表示力在這段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的沖量等等.

例如 教師基于以上圖像面積法的論述，進(jìn)一步拋出提問：已知一物體，從地面開始以10m/s的速度v0做豎直上拋運(yùn)動(dòng)，再次落地后的瞬時(shí)速度vt為9m/s.現(xiàn)假定物體受到的阻力與與其運(yùn)動(dòng)速度是正比例關(guān)系，試問：該物體所經(jīng)過的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是多少？

首先，從該物體的運(yùn)動(dòng)過程分析可知，在豎直上拋過程中，受到重力及阻力，該物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是加速度逐漸減小的減速運(yùn)動(dòng);在自由落體過程中，同樣受到重力及阻力，該物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng).通過對(duì)此運(yùn)動(dòng)過程的分析，不難看出該物體的速度為非線性變化特征，難以直接求解出運(yùn)動(dòng)時(shí)間.

教師不妨嘗試引導(dǎo)學(xué)生們首先根據(jù)運(yùn)動(dòng)過程繪制出v-t圖6，再結(jié)合題設(shè)中“物體受到的阻力與運(yùn)動(dòng)速率成正比”，將v-t圖6轉(zhuǎn)換成f-t圖7.通過上文分析可知，在v-t圖6及f-t圖7中，被坐標(biāo)軸分成上下兩塊的陰影面積分別表示運(yùn)動(dòng)高度及沖量，其上下兩塊圖像面積相等.在f-t圖7中，根據(jù)上下兩塊圖像面積相等，可判斷出物體在運(yùn)動(dòng)過程中空氣阻力的總沖量為0，即是If=0.利用運(yùn)動(dòng)全過程的動(dòng)能定理得到mvt+mv0=mgt+If，最后通過對(duì)兩式進(jìn)行聯(lián)解，即可得到對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=v0-vtg=1.94s.

5 結(jié)語

總之，圖像法的應(yīng)用貫穿于高中物理知識(shí)點(diǎn)概念教學(xué)、實(shí)驗(yàn)分析、解題分析等各個(gè)環(huán)節(jié).通過圖像法的應(yīng)用，可以將分析物理問題的過程變得更加直接，將物理規(guī)律教學(xué)的過程變得更加縝密，將物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)變得更加形象，將物理解題過程變得更加簡(jiǎn)單.

圖像法在物理教學(xué)中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止本文提出的這幾點(diǎn)，還需要教師們?cè)谌粘＝虒W(xué)過程中加以挖掘及滲透，進(jìn)一步利用圖像語言培養(yǎng)學(xué)生們的發(fā)散性物理思維，提升學(xué)科綜合素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]劉立紅.新課程下物理“圖象法”教學(xué)的功能探討[J].教師，2010，（30）.58.

[2]李艷春.圖像法在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].新教育（海南），2020，（7）.34-35.

[3]蔣守雷.淺談如何在高中物理解題中運(yùn)用圖像法[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)（高中版），2013，（12）.32.

[4]張淼.SOLO分類法在高中物理圖像教學(xué)中的運(yùn)用研究--由2018年江蘇高考的一道實(shí)驗(yàn)題談圖像教學(xué)[J].新課程導(dǎo)學(xué)，2019，（7）.34.