圖象在物理學中的應用探究

摘 要：物理學中的圖象具有描述物理狀態、過程、規律的特點，也是解決物理問題的常用方法。利用圖象，可以直觀、簡潔地展示物理量的關系，也為推導和求解物理問題，得出物理結論提供了參照。如何更好地發揮圖象法的作用，現就此進行探討。

關鍵詞：高中物理；圖象；應用策略

在高考物理中，圖象的應用較多，也是考查學生讀圖、識圖、用圖能力的重點。隨著課改的推進，結合高中物理探析圖象的應用方法，從圖象分析中提高學生的物理知識、物理規律的學習能力，增強學生物理量的辨析，解決物理學問題。

一、 認識物理圖象，確立圖象法教學地位

從概念來看，物理學中的圖象主要是由圖形來表征物理現象，相較于文字和符號，更具有直觀性、形象化特點。在圖象應用中，有實物圖形、物理示意圖、物理函數圖象及圖表等形式，這些圖象能夠實現抽象物理概念的形象化表征，并從圖象中傳遞不同物理量之間的數量關系。如受力分析圖、矢量合成與分解圖，物理函數圖象則以數學函數表達式為基礎，來展現不同物理量之間的變化關系。對于物理學中的圖象，在學習中要明確教學重點，要讓學生能夠識圖、用圖、作圖。識圖時，要看六點，即軸、點、圖線、面積、斜率、截距等。所謂的“軸”，就是圖象中的橫軸、縱軸代表哪些物理量；所謂“點”，就是分析圖象中某點所代表的物理量及狀態，如時刻、位置等信息；當然，也包括交點、極值點、拐點等所代表的物理意義。所謂“圖線”，主要是從物理量之間的變化關系來分析規律；所謂“面積”主要是分析物理圖象中圖線與坐標軸所圍成的面積值，代表某一物理量的大小。所謂“斜率”就是說分析兩個物理量之間的比值大小，來反映另一物理量。由此，確立圖象教學的地位，通過圖象分析，來概括物理信息，標記物理變化。如運動學中的位移-時間圖象（x-t），振動圖象（y-t），力學中的加速度與力圖象（a-F）、力與速度圖象（F-v），電磁學中的場強與位置圖象（E-x），磁感應強度與時間圖象（B-t）等。

二、 把握圖象分析方法，探究物理量間的變化關系

結合高中物理考查的重點，圖象法教學主要體現在兩點，一點是對物理狀態示意圖或物理函數圖象進行分析，得出物理規律，另一點是結合物理圖象解決物理問題。由于物理學中一些概念、變量本身具有抽象性，在學習時教師可以利用圖象法來進行轉換，增強學生數形結合科學思維能力。當然，面對圖象，如何來進行分析，并解決相關物理問題？我們以勻加速直線運動為例，來探究物理學中的圖象及其應用。根據勻加速直線運動的特點，其函數圖象如圖1所示。

圖1 勻加速直線運動函數關系圖

圖2 電動勢與內電阻的關系圖

在圖象法解析時，首先要關注物理量之間的函數關系，從圖1中來看，勻加速的加速度不變，初速度為v0，加速度為a，且為常量，根據其速度與時間的關系式：v=v0+at。也就是說，根據圖1，橫坐標代表時間，縱坐標代表速度，兩者的函數關系表示為勻加速直線運動。由此，我們結合圖象，來判斷勻加速直線運動中的物理狀態，并可以得到某一時刻下物理量之間的變化關系。利用圖象來反應物理量周期性變化的規律或趨勢，從而為我們深刻理解勻加速直線運動提供了數學表征。當然，函數圖象在表征物理量周期性變化時，還有二次函數圖象、正反比例函數圖象，如描述簡諧振動的圖象、波動圖象等。圍繞物理實驗，常常利用繪制圖象等方式，來反映物理量數據間的關系。如“小車速度隨時間變化的規律”“測繪小燈泡伏安特性曲線”等實驗中，結合實驗過程，測量相關物理量，并進行實驗數據的統計與分析，得出物理規律，繪制實驗圖象，提升物理教學科學性。為了測量某干電池的電動勢、內電阻及兩者的關系，我們選用電流表（0.6 A，0.1 Ω）、電壓表（3 V，1000 Ω），根據實驗得出六組數據，其結果如圖2所示。

根據U-I函數關系圖示，在實驗中對錯誤數據0.4進行剔除，來確保實驗的準確性。可見，圖象法在物理學中的應用，可以直觀地反映物理量、物理概念、物理規律，有效解決物理問題。

三、 提煉物理圖象關鍵點，解決物理問題

運用物理圖象，提煉相應的物理信息，從中來解決不同的物理問題。如某題中，在平面坐標系中分別繪制兩條v-t直線，兩者相較于t1時刻，根據圖象來判斷下列四種說法。如圖3所示。

圖3 兩個物體的速度與時間變化關系圖

從圖3來看，顯示了兩種物體不同的速度變化規律。其中直線①的初速度小于直線②，但根據斜率關系，斜率反映了兩種物體的加速度大小關系，直線①的加速度要大于直線②。從直線①與直線②相交于t1，可以得出在t1時刻，兩個物體的速度相等。由此，在進行圖象分析時，要能夠從圖象描述中分析數學表達式的關系，抓住圖象題的解題關鍵點，以物理過程來直觀呈現不同物理量之間的動態變化。再如圖4所示，兩個斜面均是光滑的，且總長度相等，高度相同，兩球均靜止下落，假設在轉折處無能量損失，問那個球先滑到底部？對該題進行分析，因高度相等，斜面光滑，根據機械能守恒，兩球到底端時速度相等。但根據斜面長度相等，b球在A′C段加速度大于a球，在CB′段，加速度小于a球，下滑路程相等；根據v-t圖象給出的斜率變化，代表其加速度的大小，而圖象面積代表位移變化。

圖4 兩光滑斜面下的運動圖象

如此，我們可以根據兩球的v-t圖象，得到tb

四、 結語

圖象是高中物理學中的重要內容，也是高考必考點之一。利用圖象法來解決物理問題，要引導學生從圖象中識別不同的物理量，以及相互關系，正確辨別物理量的變化，結合圖象軌跡來探究物理過程，把握物理狀態。當然，圖象法的運用，教師還要引導學生多總結、多探究，抓住圖象中的關鍵信息，運用物理知識、規律來解決問題。總之，高中物理學中的圖象對于理解物理現象、解決物理問題具有重要意義，教師要聯系教學活動，充分發揮圖象教學的優越性，讓學生從圖象分析、圖象繪制、圖象應用中，培養物理探究精神，拓展圖象思維，培養物理素養。

參考文獻：

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[2]吳承澳.高中物理解題中圖象法的應用[J].中學課程輔導（教師通訊），2017（18）：33.

作者簡介：

占偉，福建省莆田市，莆田第六中學。