识图、用图、构图，巧用物理图像延伸科学思维

摘"要：物理图像的形象直观性使得其成为分析物理过程、建构物理模型、解决物理问题的重要手段。本文从识图、用图、构图三个方面来总结提炼借助物理图像延伸科学思维的方法。

关键词：物理图像；科学思维；关键能力

物理图像问题在各省份高考中均属于热门考点。学生具备识别图像、应用图像、建构图像的能力尤为重要。通过挖掘物理图像中所蕴含的重要信息，建立解决此类问题的思维方式，对提高学生关键能力中的理解能力、推理论证能力、模型建构能力、创新能力都起到重要的作用，并能促进学生物理学科素养中科学思维的培养。

高考中常见的物理图像应用一般分为两种：一种是题目直接给出物理图像，学生需要结合图像和题目中给出的条件来分析具体问题；另外一种是题目未给出图像，但需要学生自行绘制物理图像来解决物理问题。本文将结合这两种情况，从识图、用图、构图三个方面阐述培养学生科学思维的有效策略。

1"根据图像分析物体运动过程

例题"（2022年全国乙卷第20题）质量为1kg的物块在水平力F的作用下由静止开始在水平地面上做直线运动，F与时间t的关系如图所示。已知物块与地面间的动摩擦因数为0.2，重力加速度大小g取10m/s2。则（""）。

A. 4s时物块的动能为零

B. 6s时物块回到初始位置

C. 3s时物块的动量为12kg·m/s

D. 0～6s时间内F对物块所做的功为40J

1.1"识别图像问题，寻找重要信息

物理图像识别的关键在于捕捉图像中给出的直接信息，如横、纵坐标的物理、单位、标度的设置、图像的斜率、截距以及与坐标轴围成的面积等，然后再从这些信息中分析出图像隐藏的特点及规律。为确保学生能够正确识别图像，就要求教师在教学过程中从教材出发，引导学生正确认识教材中用到的图像工具，并有意识地培养学生应用图像解决实际问题的能力。

在本题中，通过识别图像可得到的直接信息有0～3s时，F1＝4N；3～6s时，F2＝－4N。间接信息为物块受到的滑动摩擦力为Ff＝μmg＝2N。因为题中考查的问题都与速度有关，所以还要把力与运动结合起来，转化为动力学的问题，即0～3s内物块做初速度为零的匀加速直线运动，第3s开始做匀减速直线运动。

本题的易错点在于容易将后3s的运动误判为全程匀减速直线运动，而未考虑到实际上当速度减为0后，物体将反向运动，滑动摩擦力的方向也会随之改变。

1.2"应用图像特点，解决物理问题

通过分析图像特点来推断物块的运动过程，运用运动学公式求出每个阶段的物理量。这种常规方法对学生的计算及逻辑推理的能力要求较高，若学生将其中一个物理量算错，或没考虑到物块速度减为0后的反向运动，那么对后续运动过程的分析很容易出现错误。这类图像问题的分段分析，旨在考查学生的理解能力及推理论证能力。

1.3"建构图像模型，拓宽解题思路

在原图的基础上作出合力与时间的图像，接着转化为加速度与时间的图像（见图1）。从a"-t图像中可以得到，图像与横轴包围的面积是速度变化量。再将原图转化为速度与时间图像（见图2），从v"-t图像中可以得到，图像与横轴包围的面积是位移。通过建构图像模型，可快速完成对四个选项的判断。

2"根据运动情况，建构物理图像

例题"（2018年黑龙江省大庆实验中学高三得分训练二）如图所示，M、N两点处于同一水平面，O为M、N连线的中点，过O点的竖直线上固定一根绝缘光滑细杆，杆上A、B两点关于O点对称。第一种情况，在M、N两点分别放置电荷量为＋Q和－Q的等量异种点电荷，套在杆上带正电的小金属环从A点无初速度释放，运动到B点；第二种情况，在M、N两点分别放置电荷量为＋Q的等量同种点电荷，该金属环仍从A点无初速度释放，运动到B点。则两种情况中（""）。

A. 金属环运动到B点的速度第一种情况较大

B. 金属环从A点运动到B点所用的时间第一种情况较短

C. 金属环从A点运动到B点的过程中，动能与重力势能之和均保持不变

D. 金属环从A点运动到B点的过程中（不含A、B两点），在杆上相同位置的速度第一种情况较大

【常规解题思路】

第一种情况：等量异种电荷连线的中垂线是等势线，若取无穷远处为零势能点，则该中垂线上的电势都为0。带正电的小金属环从A点运动到B点的过程中，在竖直方向上只受重力作用，因此，小金属环从A点开始做初速度为0的匀加速直线运动，其加速度为重力加速度，即自由落体运动。在此过程中，重力势能转化为动能。

第二种情况：等量同种正电荷连线的中垂线上，电场线从O点分别指向A、B方向。根据对称性，A、B两点的电势相等，从A点运动到B点，重力势能全部转化为动能。因此，在两种情况下，小金属环运动到B点的速度相等，选项A错误。

但在第二种情况中，小金属环从A点运动到O点的过程中受到向上的电场力，而从O点运动到B点的过程中受到向下的电场力，因为到B点的速度与第一种情况一样，故在到B点前，第二种情况的速度都比第一种情况的速度小，选项D正确。因此第二种情况的运动时间比较长，选项B正确。在第一种情况下，只有重力做功，动能与重力势能之和不变；而在第二种情况下，从A点到O点，电场力做负功，动能与重力势能之和减少；从O点到B点，电场力做正功，动能与重力势能之和增加，选项C错误。

常规解题思路中，学生需要全面理解小金属环在两种情况下的受力、运动和能量转化情况。在课堂讲评过程中，部分学生无法直观地感受到两种情况下运动的区别，这对他们科学思维的发展所起的作用相对有限。

2.1"建构图像，简化物理推理过程

借助运动学中的v"-t图像，学生可直观地判断运动过程中的加速度、速度、位移的变化趋势。假设A点在等量同种电荷中垂线电场强度最大处的下方。根据题中描述的两种情况，以及小金属环的受力特点，可画出两种情况的v"-t图像（见图3）。若A点在中垂线上电场强度最大处的上方，画的图像也将类似，只是第二种情况的斜率有些变化。

在描绘v"-t图像时，需要确保理解以下几点：首先，在B点处，两种情况的速度是相等的；其次，在同一位置，第二种情况的速度相较于第一种情况更小；最后，由于两种情况的位移总量是相等的，因此它们在v"-t图像上与横轴所包围的面积也是相等的。在建构物理图像的过程中，实际上也在对这两种情况的受力和运动情况进行合理推导。借助图像，把推理过程具象化、直观化、形象化。

2.2"识别图像，加快运动过程分析

涉及物理图像的物理问题，其最大优势在于直观性。物理图像不仅可以直观地展现出物体的运动过程，还能使学生在短时间内建立正确的物理模型。［1］善于运用物理图像，挖掘图像中的物理信息，将复杂的物理过程通过图像的斜率、截距等具体参数进行具象化，实现数与形的巧妙结合。

从图3中可明显看出，第一种情况所用时间更短。还可以看出，在同一时刻，第二种情况运动的位移更少。因此，在同一时刻，第二种情况所在的位置在第一种情况的上方。两图像斜率一样的地方就是两种情况下金属环经过O点的时刻。经过O点前，第二种情况的加速度比第一种情况小；过了O点，第二种情况的加速度比第一种情况大。在识别图像的过程中，通过获取物体运动的相关信息，并持续完善个人的推理过程，这种策略可以有效地促进学生科学思维的发展。

3"教学建议

3.1"图像本质优先

解决所有图像问题，都需要学生对图像的基本性质及特点有全面的理解，例如图像的斜率、截距、与坐标轴围成的面积、转折点、正负代表的含义等。图像问题一直是学生学习的一个难点；因此，教师在安排教学任务时要循序渐进，根据学生的具体学情及认知特点来分散难点，有效完成图像法的教学任务。只有对图像基本性质有一定的认识，学生才能正确识别图像中传递的信息。这就要求教师在进行各个模块的图像教学时，要抓住图像的本质，为学生打好图像法的基础。

3.2"数形结合辅助

在利用图像法解决物理问题的过程中，有一类问题特别侧重于分析图像中横、纵坐标之间所呈现的数学函数关系。学生通过运用这些函数关系中的斜率及截距等关键参数来解决物理问题。那么教师在进行图像教学时，可以设计教学任务，将多种图像综合起来，把物理图像中涉及的常见函数关系式整理成相互关联的系统知识模块［2］，协助学生实现知识的系统化和能力的模块化。

参考文献

［1］文莉，程建兰，王海楠，等.新高考物理图像题的分析与教学建议［J］.物理通报，2022（S2）：46"-51.

［2］蔡学元.以物理图像问题为例谈如何培养思维能力［J］.中学物理教学参考，2021，50（36）：21"-24.