圖像法在高中物理教學中的應用研究

沈曉虎

【摘 要】 物理學科來源于生活而又高于生活，縱觀物理學科的發展歷程，人們從由淺及深的物理現象，發現主觀物理規律，再通過物理實驗的反復驗證，得到客觀的物理定律，最終再將物理定理運用到生活中，解決實際物理問題.在這整個過程中，都離不開函數圖像的應用，尤其是在復雜物理過程的認識、主觀物理規律的研究、抽象物理實驗的教學及特殊物理問題的解決上.本文將基于物理學科的上述演變過程，對圖像法在高中物理教學中的應用開展研究分析，旨在培養學生的學科思維能力.

【關鍵詞】 高中物理;物理實驗;教學應用

在“布魯納的認識-發現教學”理論中指出，學習知識的最佳方式是發現式學習，學生們只有經歷主動觀察和獨立思考，才能對知識產生更加深刻的理解.高中物理函數圖像法教學的精髓是將抽象的物理問題轉化成直觀的圖形語言，通過圖像法的應用，清晰地揭示圖形中各個物理量的相互關系.在此過程中，可以充分發揮學生們的學習主動性，實現素質教育能效最大化目標.

1 借用圖像法，認識復雜物理過程

物理學起源于日常生活，物理問題的提出都是以日常生活中的客觀場景為基礎，往往是以文字或符號的形式記錄保存下來.在高中物理的教學過程中，首先是以文字描述的形式，將物理過程描述出來，學生們通過文字閱讀的方式，將物理過程轉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，當簡單的物理過程逐漸復雜化之后，學生們往往難以憑借主觀印象進行有效解讀.對此，示意圖法是認識復雜物理過程的必要方法，能夠在平面維度內客觀反映物理過程的整體時空特征.示意圖最常應用于高中物理力學分析過程，在力學問題的教學中，教師教學的第一步往往是要求學生們繪制力學示意圖，即是完成“受力分析”的過程.

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

根據題設描述，均為文字及符號形式，物理過程涉及兩物體、兩階段，若完全依靠主觀認識來分析運動過程求解題設，必然會因為復雜過程及無法聯系的即有物理量而難以求解.對此，教師首先要應求學生們繪制出該過程的示意圖，在仔細審題后將題設條件及運動過程標注于示意圖上.如圖1所示，教師可以引導學生們一步步繪制出求解示意圖，將原本的文字語言轉換成圖形語言.進而再通過運動過程分析，兩車脫離前：

x=12at2，a=FM+m;兩車脫離后：機車前進距離x1=v0t+12a1t2，拖車勻速運動前進距離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，反映主觀物理規律

電學問題是高中物理教學的難點，受制于電學的抽象性特征，學生們往往難以像力學及運動學問題一樣得到直觀的物理規律認識.對此，教師不妨嘗試利用圖像法，引導學生們進行主觀物理規律探究.

例如 在伏安法測量電源電動勢及內阻的教學中，常見的測量方法包括內接法及外接法.在此試驗測量方法中，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、如何解決試驗過程中電壓變化過小的問題、如何減小試驗偶然誤差等.

針對試驗過程中的電流表、電壓表均非理想電表，可以利用圖像來分析伏安法測量電源電動勢及內阻的外接電流表試驗.首先，通過原理圖向學生們揭示外接電流表所測得的電流并非實際電源的電流，而是電源與電壓表電流的差值，即是IA=I-IU.于是可知，通過實際實驗測量得到的電流值比公式U=-r·I=E中測得電流值要小.基于以上分析，便可以將U-I圖3中的IA轉換成IA+IU.得到對應的U-I圖3.結合圖3可知，當U=0時，IU=0，此時有IA+IU=IA.此時，保證U-I圖3與坐標軸橫軸的截距不變，便可以得到此時真實電動勢及內阻及測量電動勢與內阻的關系，進而分析出對應的誤差規律.即是真實的電動勢要比實際測得的電動勢更大.同時，基于誤差分析前后的U-I圖3，通過U-I圖3的斜率分析，可以真實的內阻值也要大于實際測量的內阻值.

3 巧用圖像法，挖掘抽象物理實驗

圖像是分析未知物理規律的重要手段之一，尤其是針對高中物理規律教學，相較于初中物理知識點，其抽象性特征顯著提升.圖像法在物理規律教學中主要包括兩個方面：一方面是圖像法的直接應用，如在物理運動特征分析過程中，利用直接獲取的物體運動軌跡、運動圖像或運動數據，遷移到直角坐標系中轉換成函數圖像語言，通過對此類函數圖像語言的分析，反映出客觀物理規律.另一方面是根據物理學客觀印象，將原本抽象的物理過程轉換成具體的圖形語言.

例如 以物理運動特征過程分析為例，在單擺運動教學中，教師為了揭示單擺運動的振動規律，利用灌了墨汁的注射器作為單擺，如圖4所示，推動注射器開始單擺運動.同時，利用鋪設在注射器下方的白紙作為記錄單擺運動的載體，抽動白紙盡可能使其勻速運動，則在白紙上留下的墨水痕跡就是單擺運動軌跡.此時，在白紙上繪制出坐標軸，便可以進一步得到單擺的s-t、v-t圖像，即可得到單擺的運動規律.

此外，在研究一些抽象的物理規律時，可以借用具體的圖像語言來表征其規律.在研究波的干涉規律教學時，水波作為波的一種，利用水波展示波的干涉規律，并適時宜的引入教材中波的波峰波谷教學內容，將教材知識與圖像化物理語言緊密結合.同時，適當地對圖形進行軸對稱處理，結合以下示意圖5進而更加深刻地揭示物理規律.

4 妙用圖像法，解決特殊物理問題

物理知識來源于生活，而最終又回歸到生活.對于學生們而言，解決物理實際問題的能力是判斷學生們對知識點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.

在高中物理力學運動規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運動規律中，主要包含速度（v）、運動時間（t）、牽引力（F）、功率（P）等，而這些物理量之間組成的函數圖形存在各式各樣的聯系，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，圖形與坐標軸之間組成的面積即是時間t內的位移;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間內產生的沖量等等.

例如 教師基于以上圖像面積法的論述，進一步拋出提問：已知一物體，從地面開始以10m/s的速度v0做豎直上拋運動，再次落地后的瞬時速度vt為9m/s.現假定物體受到的阻力與與其運動速度是正比例關系，試問：該物體所經過的運動時間是多少？

首先，從該物體的運動過程分析可知，在豎直上拋過程中，受到重力及阻力，該物體的運動規律是加速度逐漸減小的減速運動;在自由落體過程中，同樣受到重力及阻力，該物體的運動規律時加速度逐漸減小的加速運動.通過對此運動過程的分析，不難看出該物體的速度為非線性變化特征，難以直接求解出運動時間.

教師不妨嘗試引導學生們首先根據運動過程繪制出v-t圖6，再結合題設中“物體受到的阻力與運動速率成正比”，將v-t圖6轉換成f-t圖7.通過上文分析可知，在v-t圖6及f-t圖7中，被坐標軸分成上下兩塊的陰影面積分別表示運動高度及沖量，其上下兩塊圖像面積相等.在f-t圖7中，根據上下兩塊圖像面積相等，可判斷出物體在運動過程中空氣阻力的總沖量為0，即是If=0.利用運動全過程的動能定理得到mvt+mv0=mgt+If，最后通過對兩式進行聯解，即可得到對應的運動時間t=v0-vtg=1.94s.

5 結語

總之，圖像法的應用貫穿于高中物理知識點概念教學、實驗分析、解題分析等各個環節.通過圖像法的應用，可以將分析物理問題的過程變得更加直接，將物理規律教學的過程變得更加縝密，將物理實驗的教學變得更加形象，將物理解題過程變得更加簡單.

圖像法在物理教學中的應用遠不止本文提出的這幾點，還需要教師們在日常教學過程中加以挖掘及滲透，進一步利用圖像語言培養學生們的發散性物理思維，提升學科綜合素養.

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