物理教學中圖像解析法運用點滴

吳天琴

摘 要： 本文以一道電學物理題為例，利用繪圖軟件制作U-I圖、電路圖、局部放大圖，把兩個抽象的問題運用圖像解析法進行展示，甚至突出過程的細節部分，能相對準確地表現圖像中的點、線、面、形情景，從而簡化問題路徑，直擊教學目標。

關鍵詞： 物理教學 圖像解析法 分析過程

圖像解析法由于其直觀、形象，使得一些抽象、深奧的物理概念變得簡潔明了，在物理課堂教學中易于學生理解。而傳統的課堂教學由于受到多媒體技術條件的限制，圖像解析多為手繪草圖，如電路圖、受力圖等的繪制，能方便快捷地表達出一些物理概念、甚至是物理規律的內在含義，給學生留下深刻的印象。隨著多媒體技術的發展應用，繪圖軟件品質的提升，更能精確地表達出圖像中的點、線、面、形，還可以由一維到二維、三維的動畫擬景展示，要靜有靜，要動有動，需要時反復回放既能加深學生理解，促進記憶，又省時省力。可謂事半功倍，教學有效性不言而喻，同時對教師的多媒體技術的學習掌握提出了更高要求。在此，以物理教學的一道電學題為例，分析研究它的圖像解析法的獨特效用。

1.題例

題如圖1所示，某一半導體器件的U-I圖，將該器件與標有“9V，18W”的用電器串聯后接入電動勢為12V的電源兩端，用電器恰能正常工作，此時電源的輸出功率是多少W？若將該器件與一個阻值為Ω的電阻串聯后接在此電源兩端，則該器件消耗的電功率約為多少W？

從題例來說是一種屬于實驗類的填空題，因為考查的知識點較多，已知條件太少，學生遇到此題時一般無法通過常規的解析法順利解題，是恒定電流教學中的偏題、怪題。因此，教師在教學過程中，必須引導學生轉換思維，另辟蹊徑。

2.分析

2.1第一問分析過程

首先，找突破口。用電器（9V，18W）恰能正常工作說明其工作電壓、電流和功率均為額定值，由額定功率與額定電壓的比值可知通過用電器的電流為2A。這個電流值是流過用電器的正常工作電流，亦是流過半導體器件和電源的當前電流值，是解決第一問的突破口。

其次，簡化問題。就是利用圖像解析法，看圖找電壓。從半導體器件的圖像趨勢可以看出，隨著電壓電流的增加，半導體器件的電阻隨之增加。由于半導體器件與用電器串聯，串聯電路電流處處相等，流過半導體器件的電流也為2A，觀察U-I圖像的橫坐標和縱坐標，如圖2所示，能夠輕易地看出橫坐標2A處對應的縱坐標電壓值為1V，根據歐姆定律R=■，計算得出此時半導體器件的電阻為0.5歐姆。

最后，聯想知結構。依據題意將半導體器件（1V，2A）、用電器（9V，18W）和電源（12V，內阻未知）串聯構成閉合電路，繪制成半導體與電阻串聯電路圖，如圖4所示。在圖4中運用閉合電路歐姆定律和串聯電路電壓、電流、功率等相關規律計算出電源路端電壓U=10V，計算出電源輸出功率P=UI=20W，亦能由閉合電路歐姆定律公式E=U+Ir計算出電源內阻為1歐姆，以備后用。

可見，運用圖像解析法，將圖像有序呈現給學生，識圖順序是在圖1中觀察橫軸縱軸的標度，找到電流2A對應的電壓值1V（圖2），在圖2中做上標記，將圖2中的重點讀圖處即（2A，1V）對應的坐標點放大處理形成局部放大顯示圖（圖3），突出顯示引領學生正確思考，攻克計算此題的突破口，即為與用電器串聯的且用電器恰好正常工作時半導體器件表現的電壓、電流、電阻值。

解題的思維過程通過一幅幅圖像衍變，在圖像中可以一目了然地感受物理邏輯思維的轉移過程，有效地將思維形象化。

2.2第二問分析過程

教師針對第二問精心設計一系列疑問啟發學生思考，比如現在將用電器換成了一個阻值為Ω的電阻與半導體器件串聯后接在此電源兩端，那么此時半導體器件的電阻表現如何呢？半導體器件兩端的電壓和通過的電流是多少呢？閉合電路歐姆定律公式、功率公式怎樣運用呢？學生帶著這些疑問思考，在圖像法的思維引領下將會出現以下兩種解法。

一是等效內阻圖像法：

外接電阻有兩個，一個是未知電阻的半導體器件，二個是已知阻值Ω的電阻，這兩個電阻是串聯后接在電源（12V，1Ω）兩端，此時如果將已知阻值Ω的電阻歸于電源內阻，使得電源內阻變為Ω，而電源電動勢不變仍為12V，等效于構建了一個新的電源。然后新的電源與未知的半導體器件構成新的電路，路端電壓隨電流變化的函數關系式為U=E-Ir，將E=12V和r=Ω代入，很容易確立新電源的路端電壓隨電流變化的關系式為U=12-I，在圖1中繪制出新電源的路端電壓與電流的關系圖線，為一條向右下方傾斜的直線，如圖5所示，兩個圖像有一個交點，交點的意義在于此時的電源與半導體器件串聯時，半導體器件兩端的電壓、流過的電流和其電阻值。顯而易見，從圖5中觀察圖像交點，讀出電壓為5V，電流為3A，根據功率公式可以計算出半導體器件的電功率為15W。

二是動態求和圖像法：

由于外接電阻中一個是已知阻值Ω歐姆的電阻，繪制出這個電阻的U-I圖像，如圖6所示，與半導體器件的U-I圖在同一幅圖中，由于串聯電流處處相等的關系，應該在圖中動態地尋找一個電流值對應的兩幅圖像的交點即電壓值，使得在同一個電流值的前提下將定值電阻、半導體器件和電源內阻兩端的電壓加起來的總和為電源電動勢12V。這種情況下要嘗試在橫軸上尋找一個電流值，通過圖像觀察對應的兩個電壓值，再通過計算相應電流下的內阻上的電壓，比較三者之和的情況，可能大于、等于、小于電動勢。從中選擇等于電動勢的那個電流值，從而根據功率公式計算出此種狀態下的半導體器件的功率。

教學有法，但無定法。圖像教學法只是眾多物理教學法的一種。什么時候使用，用得恰到好處，這是物理教學實踐中業務素質的長期積淀過程，也是對多媒體技術學習掌握，應用于物理教學能力的考量。作為物理教育教學工作者，在千變萬化的物理現象面前，我們要學會抽絲剝繭，善于發現，在發現中獲得快樂，在快樂中傳授物理知識，在傳授物理知識中傳遞物理文化。