徐海菊

(江蘇省南通中學(xué),江蘇 南通 226001)

中學(xué)階段的物理學(xué)習(xí)離不開(kāi)圖像,平時(shí)學(xué)習(xí)中接觸到的圖像素材有圖片、示意圖、曲線圖、函數(shù)圖像等.識(shí)圖、析圖、畫(huà)圖是學(xué)生提高物理學(xué)習(xí)效果的一種重要手段,高中階段,學(xué)生的抽象思維占物理學(xué)習(xí)思維的主體地位,由于學(xué)生的抽象思維還不夠成熟,因此需要形象思維的激發(fā),簡(jiǎn)潔、形象的示意圖能夠讓學(xué)生切入到物理事件的輪廓、軌跡、原理,進(jìn)而加深對(duì)概念和規(guī)律的理解;函數(shù)圖像、軌跡圖等則能夠引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律內(nèi)在結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)中各物理量對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系,能夠更為清晰、直觀地展示物理情景的動(dòng)態(tài)過(guò)程.可以說(shuō)“一圖抵千言”,圖像在物理學(xué)習(xí)中的作用是不可替代的.

1 圖像用于概念教學(xué),無(wú)形“畫(huà)”為有形

清晰、準(zhǔn)確的理解并建立物理概念是學(xué)生高中階段學(xué)好物理的基礎(chǔ),教育學(xué)、心理學(xué)研究表明,接觸并記住概念的定義不等同于知識(shí)的內(nèi)化,要想使物理概念在頭腦中生根需要大量直觀的認(rèn)識(shí)作為基礎(chǔ),而且要經(jīng)歷一個(gè)“實(shí)物直觀→模型直觀→圖形直觀→語(yǔ)言直觀”的漸進(jìn)式發(fā)展過(guò)程,在提供直觀認(rèn)知時(shí)充分利用圖像,能夠促使抽象概念形象化.

例如,“力”這個(gè)概念,引入了力的圖示和力的示意圖之后,讓學(xué)生在理解“力是物體間的相互作用”這個(gè)概念的基礎(chǔ)上,對(duì)力的本質(zhì)有了更深入的理解,同時(shí)“力”也因此變得形象化,可操作化了.再例如,電場(chǎng)這一章節(jié)的幾個(gè)概念,在引入了電場(chǎng)線、磁感線、等勢(shì)面等圖像化的概念后,一系列概念的理解就更容易了.

2 圖像用于規(guī)律教學(xué),難“畫(huà)”為易

首先,借助于示意圖可以使物理規(guī)律及物理過(guò)程躍然“圖”上,這個(gè)形象化的過(guò)程促進(jìn)了學(xué)生思維的發(fā)展,提高了學(xué)生抽象概括的能力.

例如,“牛頓第一定律”的教學(xué),將伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)示意圖畫(huà)在黑板上(如圖1所示),或是將示意圖投影出來(lái),能夠有效消除學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)對(duì)規(guī)律的干擾,深化對(duì)規(guī)律的理解.

圖1

其次,函數(shù)圖像可以揭示物理規(guī)律的本質(zhì),尤其是具有對(duì)比性的圖像,能夠讓學(xué)生加深對(duì)物理規(guī)律本質(zhì)的認(rèn)識(shí),便于物理規(guī)律的內(nèi)化.

例如,“自由落體運(yùn)動(dòng)”和“豎直上拋運(yùn)動(dòng)”不僅是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)特例,而且它們也是重要的運(yùn)動(dòng)模型,但想讓剛進(jìn)入高中不久的學(xué)生深入理解其中的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)和所蘊(yùn)含的物理規(guī)律,卻不僅僅是靠教師多講、學(xué)生多練可以實(shí)現(xiàn)的.借助于數(shù)學(xué)函數(shù)圖像(如圖2所示),可以有效縮短學(xué)生的思維進(jìn)程,學(xué)生對(duì)豎直上拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及對(duì)稱(chēng)性理解更為透徹.

圖2

圖3

再如,研究“電源輸出功率隨外電阻變化的規(guī)律”時(shí),如果采用理論推導(dǎo),對(duì)于公式必須對(duì)公式再變形,運(yùn)用數(shù)學(xué)基本不等式才可以判斷,而且對(duì)于特定的電路,在動(dòng)態(tài)分析的過(guò)程中,外電阻的阻值一般調(diào)不到與電源內(nèi)阻的阻值相等,學(xué)生對(duì)此規(guī)律的認(rèn)識(shí)表現(xiàn)為無(wú)所適從.如果將公式與圖像(如圖3所示)結(jié)合起來(lái)引導(dǎo)學(xué)生去分析的話,學(xué)生能夠很直觀地從整體上把握規(guī)律,加深思維痕跡.

3 圖像用于實(shí)驗(yàn)教學(xué),千言“畫(huà)”為一圖

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理教學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)教學(xué)重在“探究”,每節(jié)實(shí)驗(yàn)課都有明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?要求學(xué)生利用原有認(rèn)知進(jìn)行方案的設(shè)計(jì),選擇合適的裝置進(jìn)行操作,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄和處理數(shù)據(jù).圖像在實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其是在數(shù)據(jù)處理中起到的作用是不可忽視的.

(1)借助圖像簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理,直觀揭示物理本質(zhì)和規(guī)律.

例如,在探究“加速度與質(zhì)量的關(guān)系”時(shí),保持小車(chē)所受的合力不變,得到小車(chē)的加速度與質(zhì)量的幾組數(shù)據(jù),學(xué)生很難直接看出兩者間的相互關(guān)系,此時(shí)先引導(dǎo)學(xué)生描點(diǎn)連圖,作出a-m函數(shù)圖像,圖像看上去好像是一條雙曲線(如圖4所示),繼而猜測(cè)出小車(chē)的加速度a與小車(chē)的質(zhì)量m成反比.為了進(jìn)一步驗(yàn)證猜想,可以再引導(dǎo)學(xué)生變換坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的物理量,作出圖像,此時(shí)可以得到一條過(guò)原點(diǎn)的直線(如圖5所示),學(xué)生由圖像很容易得出結(jié)論:當(dāng)合力一定時(shí),小車(chē)的加速度與質(zhì)量成反比.

圖4

圖5

(2)借助函數(shù)圖像,實(shí)施間接測(cè)量.

對(duì)于物理中的函數(shù)圖像,學(xué)生不僅要理解圖像上的坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的物理量的意義,還要掌握?qǐng)D像的斜率、截距、面積等信息賦予的特定的物理意義.

例如,在“測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)描點(diǎn)連圖,圖像為如圖6所示中的實(shí)線.這時(shí),教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)線兩端向外延伸(圖6中虛線),交兩坐標(biāo)軸于Im、Um,這兩個(gè)截距是兩個(gè)特殊狀態(tài)下的電流表和電壓表的讀數(shù),即短路電流Im和斷路電壓Um,再結(jié)合全電路歐姆定律,公式U＝E－Ir,可以得出

圖6

4 自主描繪“物理圖像”,發(fā)展學(xué)生的“視覺(jué)-空間”智力

在霍華德·加德納的《智力的結(jié)構(gòu)》一書(shū)中指出,影響個(gè)體發(fā)展的智力被分為8類(lèi),其中的“視覺(jué)-空間”智力是一種三維的空間思維能力,如果學(xué)生的“視覺(jué)-空間”智力強(qiáng),則他能夠準(zhǔn)確地感知物理現(xiàn)象的外部和內(nèi)部特征,并以圖形的形式將視覺(jué)或空間思維準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來(lái).在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生畫(huà)示意圖的過(guò)程是將一個(gè)物理情景或物理問(wèn)題,與大腦中的記憶表象進(jìn)行有效鏈接并將物理情景外顯為物理圖像的過(guò)程.學(xué)生畫(huà)示意圖能夠?qū)崿F(xiàn)物理問(wèn)題“視圖化”,學(xué)生能夠準(zhǔn)確畫(huà)出物理示意圖,通常其解譯圖形信息的能力也較強(qiáng).

例如,一雜技演員表演走繩索,當(dāng)其走到繩索中點(diǎn)時(shí),原先水平的繩索現(xiàn)在與水平方向成θ角,求此時(shí)繩索上的張力是演員體重的多少倍？

這道題要想正確地解答出來(lái),需要學(xué)生從大腦中提取生活現(xiàn)象,將走鋼絲的物理情景抽象為簡(jiǎn)單的物理模型,并用示意圖的方式呈現(xiàn)出來(lái),如圖7所示.實(shí)現(xiàn)了物理問(wèn)題的“視圖化”,該問(wèn)題也就迎刃而解.

圖7

“繪畫(huà)是一種描述”,不同的學(xué)生由于“視覺(jué)-空間”智力水平的差異,會(huì)導(dǎo)致示意圖表現(xiàn)意象的清晰度、完整性有差異.但是教師在平時(shí)的物理教學(xué)過(guò)程中,只要堅(jiān)持針對(duì)性培養(yǎng)學(xué)生畫(huà)示意圖的意識(shí),通過(guò)有序的訓(xùn)練,學(xué)生“看、想、畫(huà)”的能力必然會(huì)穩(wěn)步提升,對(duì)物理意象的理解會(huì)更整體化、準(zhǔn)確化、多維化.

運(yùn)用代數(shù)的方法解決物理問(wèn)題,運(yùn)算往往較為復(fù)雜.運(yùn)用畫(huà)函數(shù)圖像的方法,可以定性或定量地得到答案,實(shí)現(xiàn)物理過(guò)程及結(jié)果的“視圖化”.

例如,一個(gè)物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng),已知時(shí)間t內(nèi)通過(guò)的路程為s,試比較該物體在中間位置的速度v1和中間時(shí)刻的速度v2的大小關(guān)系.

處理這個(gè)問(wèn)題時(shí),假如根據(jù)公式,需同時(shí)考慮加速和減速兩種情況,即分為a＞0和a＜0兩種情形討論,通過(guò)解方程組比較v1和v2的大小關(guān)系,對(duì)于高一的學(xué)生而言計(jì)算要求過(guò)高,往往耗時(shí)而不得其解.

如果能引導(dǎo)學(xué)生分別畫(huà)出物體做勻加速和勻減速兩種情形的v-t圖像,分別如圖8(a)、(b)所示.兩種情形中,中間時(shí)刻的速度可以直接通過(guò)坐標(biāo)找出,中間位置的速度可以根據(jù)將圖形劃分成的梯形面積相等找到.通過(guò)兩幅圖形的對(duì)比,可以清晰地看出無(wú)論是勻加速運(yùn)動(dòng)還是勻減速運(yùn)動(dòng),都有v1＞v2.

圖8

物理圖像作為圖像的一種特殊形式,是學(xué)生在高中物理學(xué)習(xí)這個(gè)特殊的時(shí)期必不可少的,有其獨(dú)特的教育價(jià)值和功能,在教學(xué)中重視物理圖像的教學(xué)功能,有利于辯證性地發(fā)散和集中學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.

1 陶洪.物理實(shí)驗(yàn)論［M］.南寧:廣西教育出版社,1999:1－2.

2 吳齊全.淺析用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［J］.物理實(shí)驗(yàn),2006(3):30－33.