段紹文

[摘 要]圖像法是分析研究物理問(wèn)題的有效方法，文章結(jié)合例題分析了兩道變加速直線運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，以期提升學(xué)生解答相關(guān)問(wèn)題的能力。

[關(guān)鍵詞]圖像轉(zhuǎn)化法；變加速；直線運(yùn)動(dòng)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G633.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-6058（2018）17-0053-01

由于物理圖像能直觀地表達(dá)物理規(guī)律，簡(jiǎn)捷地描述物理過(guò)程，形象地反映物理量之間的關(guān)系，因此學(xué)會(huì)讀懂物理圖像，從物理圖像中找出有用的信息，往往能在解題過(guò)程中收到化繁為簡(jiǎn)、快捷準(zhǔn)確解題的效果。但是，有些物理圖像中物理規(guī)律或物理量間的數(shù)值關(guān)系較為隱蔽，當(dāng)圖像的斜率、截距、面積等都不能直接反映目標(biāo)問(wèn)題時(shí)，圖像轉(zhuǎn)化就成了我們解題的優(yōu)選策略。下面兩個(gè)變加速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題就是通過(guò)圖像轉(zhuǎn)換法來(lái)實(shí)現(xiàn)巧解的。

[例1]一質(zhì)點(diǎn)從靜止開(kāi)始做直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的a-t圖像如圖1所示，由圖像可知（ ）。

A. 質(zhì)點(diǎn)在2 s末的速度是5 m/s

B. 質(zhì)點(diǎn)在2 s末的速度是10 m/s

C. 質(zhì)點(diǎn)在0～2 s內(nèi)的位移等于10 m

D. 質(zhì)點(diǎn)在0～2 s內(nèi)的位移大于10 m

分析：該a-t圖像的斜率僅說(shuō)明質(zhì)點(diǎn)加速度是均勻減小的，而圖線在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)與t軸所圍的面積則表示速度的變化量[Δv]，即0～2 s內(nèi)[Δv]=10 m/s，由于質(zhì)點(diǎn)從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，因而2 s末質(zhì)點(diǎn)速度為10 m/s，可知B選項(xiàng)正確。但對(duì)質(zhì)點(diǎn)位移的判斷，由于a-t圖像中加速度均勻減小，這使部分學(xué)生錯(cuò)誤地通過(guò)圖像求得0～2 s內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的平均加速度為a=5 m/s2，再由x=[12]at2得x=10 m，結(jié)果錯(cuò)選C。事實(shí)上，結(jié)合“加速度逐漸減小”和“2 s末速度為10 m/s”兩個(gè)重要信息，我們可以作出其運(yùn)動(dòng)的v-t圖像，如圖2所示，據(jù)此就可以很直觀地判斷出0～2 s內(nèi)的位移（即v-t圖線在0～2 s內(nèi)與橫軸所圍的面積）應(yīng)該大于10 m。

[例2]在地面上以速率v1豎直向上拋出一個(gè)物體，物體落地的速率為v2，若物體所受空氣阻力的大小與其速度大小成正比，求物體在空中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t是多少？（已知重力加速度大小為g）

分析：本題由于物體受到的空氣阻力是變化的，故物體所受的合外力也隨時(shí)間而變化，僅用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)方法在高中階段是無(wú)法有效解答的。

在上升階段，物體做減速運(yùn)動(dòng)，v減小，阻力f=kv也減小，由牛頓第二定律得mg+f=ma，可知物體做加速度減小的減速運(yùn)動(dòng)；下落階段，物體做加速運(yùn)動(dòng)，v增大，阻力f=kv也增大，由牛頓第二定律得mg-f=ma，可知物體向下做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)，據(jù)此可作出物體運(yùn)動(dòng)的v-t圖像如圖3所示，由于上升過(guò)程與下落過(guò)程位移大小相同，方向相反，v-t圖線與時(shí)間軸所圍的總面積（圖中陰影部分）為零。而空氣阻力的大小與其速度大小成正比，因此物體受到的空氣阻力隨時(shí)間變化的圖像（f-t圖像）與其v-t圖像相似（如圖4所示），在f-t圖像中，力的沖量等于圖線與時(shí)間軸所圍成的面積，結(jié)合v-t圖像可知，此總面積（圖中陰影部分）也為零，因此，全過(guò)程中，空氣阻力的總沖量為零，只有重力的沖量使物體的動(dòng)量發(fā)生變化。以豎直向上為正方向，由動(dòng)量定理得：-mgt=-mv2-mv1，可得t=[v1+v2g]。

從以上兩例可以看出，圖像作為物理量的實(shí)際表征，是將物理變化由具體轉(zhuǎn)化為抽象，再由抽象轉(zhuǎn)化為形象圖表的過(guò)程，對(duì)一些用解析法看似無(wú)法解決的問(wèn)題，借助圖像轉(zhuǎn)換法，往往可使人豁然開(kāi)朗，收到事半功倍的效果，這在提高解題效率的同時(shí)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的抽象思維能力和數(shù)形結(jié)合思想也有著極其重要的意義。

（責(zé)任編輯 易志毅）