图像法在高中物理教学中的应用研究

沈晓虎

【摘 要】 物理学科来源于生活而又高于生活，纵观物理学科的发展历程，人们从由浅及深的物理现象，发现主观物理规律，再通过物理实验的反复验证，得到客观的物理定律，最终再将物理定理运用到生活中，解决实际物理问题.在这整个过程中，都离不开函数图像的应用，尤其是在复杂物理过程的认识、主观物理规律的研究、抽象物理实验的教学及特殊物理问题的解决上.本文将基于物理学科的上述演变过程，对图像法在高中物理教学中的应用开展研究分析，旨在培养学生的学科思维能力.

【关键词】 高中物理;物理实验;教学应用

在“布鲁纳的认识-发现教学”理论中指出，学习知识的最佳方式是发现式学习，学生们只有经历主动观察和独立思考，才能对知识产生更加深刻的理解.高中物理函数图像法教学的精髓是将抽象的物理问题转化成直观的图形语言，通过图像法的应用，清晰地揭示图形中各个物理量的相互关系.在此过程中，可以充分发挥学生们的学习主动性，实现素质教育能效最大化目标.

1 借用图像法，认识复杂物理过程

物理学起源于日常生活，物理问题的提出都是以日常生活中的客观场景为基础，往往是以文字或符号的形式记录保存下来.在高中物理的教学过程中，首先是以文字描述的形式，将物理过程描述出来，学生们通过文字阅读的方式，将物理过程转换成抽象的物理模型，形成最初的物理概念.受制于人类思维的局限性，当简单的物理过程逐渐复杂化之后，学生们往往难以凭借主观印象进行有效解读.对此，示意图法是认识复杂物理过程的必要方法，能够在平面维度内客观反映物理过程的整体时空特征.示意图最常应用于高中物理力学分析过程，在力学问题的教学中，教师教学的第一步往往是要求学生们绘制力学示意图，即是完成“受力分析”的过程.

例如 已知物理过程如下：有一质量为M的机车，拖着一辆质量为m的拖车，两车均从静止开始运动，同在一水平轨道上按照匀加速的方式运动.具体运动过程如下：前10s行程内前进40m，随即机车释放拖车，机车仍然保持原牵引力行驶，再经过10s行程后，两车距离为60m，试求两车质量M与m的比值（不计任何阻力）.

根据题设描述，均为文字及符号形式，物理过程涉及两物体、两阶段，若完全依靠主观认识来分析运动过程求解题设，必然会因为复杂过程及无法联系的即有物理量而难以求解.对此，教师首先要应求学生们绘制出该过程的示意图，在仔细审题后将题设条件及运动过程标注于示意图上.如图1所示，教师可以引导学生们一步步绘制出求解示意图，将原本的文字语言转换成图形语言.进而再通过运动过程分析，两车脱离前：

x=12at2，a=FM+m;两车脱离后：机车前进距离x1=v0t+12a1t2，拖车匀速运动前进距离x2=v0t.且已知两车相距60m，即是x1-x2=60，求出M：m=2：1.

2 活用图像法，反映主观物理规律

电学问题是高中物理教学的难点，受制于电学的抽象性特征，学生们往往难以像力学及运动学问题一样得到直观的物理规律认识.对此，教师不妨尝试利用图像法，引导学生们进行主观物理规律探究.

例如 在伏安法测量电源电动势及内阻的教学中，常见的测量方法包括内接法及外接法.在此试验测量方法中，必须解决以下问题：如图2如何避免电压表及电流表带来的误差影响、如何解决试验过程中电压变化过小的问题、如何减小试验偶然误差等.

针对试验过程中的电流表、电压表均非理想电表，可以利用图像来分析伏安法测量电源电动势及内阻的外接电流表试验.首先，通过原理图向学生们揭示外接电流表所测得的电流并非实际电源的电流，而是电源与电压表电流的差值，即是IA=I-IU.于是可知，通过实际实验测量得到的电流值比公式U=-r·I=E中測得电流值要小.基于以上分析，便可以将U-I图3中的IA转换成IA+IU.得到对应的U-I图3.结合图3可知，当U=0时，IU=0，此时有IA+IU=IA.此时，保证U-I图3与坐标轴横轴的截距不变，便可以得到此时真实电动势及内阻及测量电动势与内阻的关系，进而分析出对应的误差规律.即是真实的电动势要比实际测得的电动势更大.同时，基于误差分析前后的U-I图3，通过U-I图3的斜率分析，可以真实的内阻值也要大于实际测量的内阻值.

3 巧用图像法，挖掘抽象物理实验

图像是分析未知物理规律的重要手段之一，尤其是针对高中物理规律教学，相较于初中物理知识点，其抽象性特征显著提升.图像法在物理规律教学中主要包括两个方面：一方面是图像法的直接应用，如在物理运动特征分析过程中，利用直接获取的物体运动轨迹、运动图像或运动数据，迁移到直角坐标系中转换成函数图像语言，通过对此类函数图像语言的分析，反映出客观物理规律.另一方面是根据物理学客观印象，将原本抽象的物理过程转换成具体的图形语言.

例如 以物理运动特征过程分析为例，在单摆运动教学中，教师为了揭示单摆运动的振动规律，利用灌了墨汁的注射器作为单摆，如图4所示，推动注射器开始单摆运动.同时，利用铺设在注射器下方的白纸作为记录单摆运动的载体，抽动白纸尽可能使其匀速运动，则在白纸上留下的墨水痕迹就是单摆运动轨迹.此时，在白纸上绘制出坐标轴，便可以进一步得到单摆的s-t、v-t图像，即可得到单摆的运动规律.

此外，在研究一些抽象的物理规律时，可以借用具体的图像语言来表征其规律.在研究波的干涉规律教学时，水波作为波的一种，利用水波展示波的干涉规律，并适时宜的引入教材中波的波峰波谷教学内容，将教材知识与图像化物理语言紧密结合.同时，适当地对图形进行轴对称处理，结合以下示意图5进而更加深刻地揭示物理规律.

4 妙用图像法，解决特殊物理问题

物理知识来源于生活，而最终又回归到生活.对于学生们而言，解决物理实际问题的能力是判断学生们对知识点掌握程度的重要途径之一.尤其是在一些特殊物理问题的处理上，如高中物理非线性力学做功问题、非线性变化电流问题、面积类电荷量问题等等，都需要学生们有效利用好图像法来解决此类特殊的物理问题.

在高中物理力学运动规律问题的分析求解中，图像面积法是最为常见的一类求解方法.已知在高中物理力学运动规律中，主要包含速度（v）、运动时间（t）、牵引力（F）、功率（P）等，而这些物理量之间组成的函数图形存在各式各样的联系，利用图像面积法法可以解决一些特殊的物理问题.如v-t图像，图形与坐标轴之间组成的面积即是时间t内的位移;如F-x图像，图形与x轴围成的面积就表示这段力在这段位移内所做的功;如F-t图像，图形与t轴所围成的面积表示力在这段时间内产生的冲量等等.

例如 教师基于以上图像面积法的论述，进一步抛出提问：已知一物体，从地面开始以10m/s的速度v0做竖直上抛运动，再次落地后的瞬时速度vt为9m/s.现假定物体受到的阻力与与其运动速度是正比例关系，试问：该物体所经过的运动时间是多少？

首先，从该物体的运动过程分析可知，在竖直上抛过程中，受到重力及阻力，该物体的运动规律是加速度逐渐减小的减速运动;在自由落体过程中，同样受到重力及阻力，该物体的运动规律时加速度逐渐减小的加速运动.通过对此运动过程的分析，不难看出该物体的速度为非线性变化特征，难以直接求解出运动时间.

教师不妨尝试引导学生们首先根据运动过程绘制出v-t图6，再结合题设中“物体受到的阻力与运动速率成正比”，将v-t圖6转换成f-t图7.通过上文分析可知，在v-t图6及f-t图7中，被坐标轴分成上下两块的阴影面积分别表示运动高度及冲量，其上下两块图像面积相等.在f-t图7中，根据上下两块图像面积相等，可判断出物体在运动过程中空气阻力的总冲量为0，即是If=0.利用运动全过程的动能定理得到mvt+mv0=mgt+If，最后通过对两式进行联解，即可得到对应的运动时间t=v0-vtg=1.94s.

5 结语

总之，图像法的应用贯穿于高中物理知识点概念教学、实验分析、解题分析等各个环节.通过图像法的应用，可以将分析物理问题的过程变得更加直接，将物理规律教学的过程变得更加缜密，将物理实验的教学变得更加形象，将物理解题过程变得更加简单.

图像法在物理教学中的应用远不止本文提出的这几点，还需要教师们在日常教学过程中加以挖掘及渗透，进一步利用图像语言培养学生们的发散性物理思维，提升学科综合素养.

参考文献：

[1]刘立红.新课程下物理“图象法”教学的功能探讨[J].教师，2010，（30）.58.

[2]李艳春.图像法在高中物理教学中的应用[J].新教育（海南），2020，（7）.34-35.

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