高中物理圖形表征的分類及作用和局限

黃銘舜

“畫圖”是物理問題解決的重要方法和手段，圖形能簡單、直觀地呈現問題的條件和物理情境。研究高中階段物理圖形表征的類型、作用以及局限性，對中學物理教學有重要的意義。

一、物理圖形表征及分類

圖形表征，一般指示意圖，在《現代漢語詞典》中，示意圖是指“為了說明內容較復雜的事物的原理或具體輪廓而繪成的略圖。”在物理學習中，示意圖特指為形象地說明物理情景、過程、現象或實物所作的簡圖，其特點是采用一定程度的概括或抽象的手法，略去非本質、突出本質，與被表征對象具有一定程度的相似性。

1.圖形表征與圖像表征的區別

物理圖像，一般來說是指以數學中的函數圖像為基礎但被賦予物理意義的一種圖像，就是把其中的自變量x視為直角坐標系上某一點的橫坐標，把對應的唯一函數值y視為此點的縱坐標，這些點呈現為一條線。

盡管圖像表征與圖形表征都是物理問題外部表征的主要形式，它們都是“圖”的形式，是“非文字、符號”的表征形式，但兩者在反映表征物理問題時有著極大的差異。

（1）圖形表征與被表征對象具有一定程度的相似性，但圖像與被表征對象相似性不大，例如速度—時間（v-t）圖像是曲線，但物體運動的軌跡就不一定是曲線了。

（2）圖像和圖形表征相比抽象程度明顯更高，圖形表征是對具體情境的初步科學抽象，把感性具體抽象為思維具體；而物理圖像則是進一步抽象的結果，可以直接描述物理量的數學關系和變化過程。

2.物理圖形的分類

從圖形的內容和反映的規律可以把高中階段的物理圖形表征可以分為三類。

（1）概念規律圖形。這類圖形是把物理概念、物理規律、以圖形、圖像的形式表達出來，利用圖形中的幾何、空間關系反映物理規律。包括有：①光路圖；②矢量合成與分解圖，包括力的圖示、示意圖，各種矢量的合成與分解圖；③各種場線、等勢面；④電磁場關系圖等。

（2）時空關系圖形。是指根據物理情景，把物體在時間和空間上的變化關系以圖形表示出來。包括有：運動軌跡圖、過程圖、追及問題關系圖、液面變化示意圖等。

（3）結構聯系圖形。是指把物體或者抽象的物理符號的結構、聯系方式以圖形方式呈現出來。例如：電路圖、試驗儀器的抽象圖形、俯視圖、側視圖等。

二、圖形表征在物理問題解決中的作用

不同類型的圖形在分析物理問題中有不同的作用，出現的思維順序也是不同的。

（1）表征時空關系。從讀懂題目文字后，就大量需要運用時空關系圖形幫助問題的分析。通過時空關系圖，解題者可以使問題從模糊變為具體，可以極大的降低空間想象的難度。時空關系圖形表征更重要的作用是能清晰呈現出問題的臨界條件、討論范圍、邊界條件和各種可能性。

（2）表征物理結構和聯系，物理知識之間的過渡，簡化問題，提取信息往往需要運用這一方式。例如電磁感應問題，往往會通過畫出等效電路圖，使問題從電磁感應轉化為電路分析問題。通過畫出或重構出結構聯系圖，可以大大降低思維難度，解題者就能更容易明確各個物體和元件的空間或結構關系，更容易發現問題的物理本質，更容易運用物理規律解決問題。

（3）表征物理概念和規律，指示物理量間的關系。這是物理問題解決中應用最多的圖形表征，主要有三點作用。①能引領思維調用物理規律。該類圖形的畫圖就是明確物理概念并運用其分析物理問題的開始，例如畫出受力分析圖時就引領思維明確各種力的三要素特征。②為后續物理方法和規律的運用提供依據。例如，要確定運動的不同階段的運動規律，以及后續運用功能關系方程還是牛頓力學方程，都就需要先借用受力分析圖確定力的關系。③是物理規律轉化為數學表達式的依據，即根據圖形得出數學表達式。例如，許多學生不畫受力分析就直接根據經驗寫出牛頓第二定律方程，往往忽略某個力。

三、圖形表征在物理問題解決中的局限

當然，圖形表征也有它自身的局限性，還需要與其他表征方式相結合才能順利的解決問題。物理圖形表征最大局限是一般只用于定性而非定量的分析。粗略不精確性是大部分物理示意圖最大的特點，示意圖時為了簡潔、快速反映各個物體的結構、時空關系或物理規律，必然犧牲了“量”的準確性，作圖時存在極大的隨意性。例如畫力的示意圖，只能用粗略的長短大致反映力大小，場線的疏密也是如此，帶電粒子在勻強磁場中運動圖形中的半徑長短、圓心角也是非精確的，因此，運用圖形表征往往只能得出定性結論。

若要進行定量分析，圖形表征只能充當問題解決的中間過渡過程，圖形表征建立后，還需要根據圖中的信息，運用符號、公式等表征手段轉為代數或解釋幾何進一步量化計算。

責任編輯 羅峰