以圖為媒 培育高中學生物理素養(yǎng)

摘? 要：圖形、圖像語言是物理學科常用的一種語言。借助一幅圖可以減少文字描述，把物理問題陳述得更清楚，給人以簡潔的美。學生的物理作圖水平，是反映其物理素養(yǎng)水平的重要標志之一。強化作圖訓練，能有效培育學生的物理素養(yǎng)。文章通過引導學生作運動情境圖、受力矢量圖、函數(shù)關(guān)系圖和實物裝置圖，談如何通過強化作圖訓練來提升高中學生的物理素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理;作圖;素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）12-0007-4

在高中物理核心素養(yǎng)的“科學思維”維度中，要求學生“能用相關(guān)的證據(jù)表達自己的觀點”;在“科學探究”維度中，要求學生“能撰寫有一定要求的實驗報告”[1]。這都需要學生通過物理課程的學習，掌握物理問題的科學表述方法。物理問題的表述僅靠文字語言和代數(shù)語言的表述是不夠的，常常還需要圖形語言或圖像語言來有機配合。有時借助一幅圖可以大大減少文字的描述，把問題陳述得更加清楚，給人以簡潔的美。從學生表述物理問題所作的圖形中，可以折射出他們的物理素養(yǎng)。因此，強化作圖訓練可以有效培育學生的物理素養(yǎng)，在中學物理教學中應引起教師的高度重視。下面從四個方面談?wù)劰P者的具體做法，與同行們共商榷。

1? ? 作運動情境圖，培育時空思維素養(yǎng)

物體運動必然涉及運動的位移和時間。對于稍難的運動學問題，其運動的位移或軌跡不太容易確定各階段的關(guān)系，而是需要通過作圖來建立運動空間模型，呈現(xiàn)其運動的軌跡，從而找到各階段位移之間的關(guān)系。同樣，運動各階段的時間關(guān)系有時也不容易確定，在處理較為復雜的時間關(guān)系時，并不是簡單地把時間進行加減，也需要通過作圖來構(gòu)建適當?shù)倪\動時間模型，以找準時間關(guān)系。

例1 圖1是高速公路上使用的超聲波測速儀示意圖。測速儀發(fā)出并接收超聲波脈沖信號，根據(jù)發(fā)出和接收到的信號的時間差，可測出汽車的速度。圖2中p1、p2是測速儀發(fā)出的信號，n1、n2分別是p1、p2經(jīng)車反射回來的信號。已知p1、p2之間的時間間隔T=1.0 s，超聲波在空氣中的傳播速度v=340 m/s。若汽車勻速行駛，其行駛的速度是多少？

這個問題看似簡單，但容易出錯。學生需要將生活情境轉(zhuǎn)化成物理過程，解決兩個問題：一是汽車連續(xù)兩次遇到超聲波的時間內(nèi)所行駛的距離Δs;二是汽車連續(xù)兩次遇到超聲波的時間間隔Δt[2]。

對于求Δs的問題，引導學生畫出圖3所示的位置關(guān)系圖，建立運動模型，通過運動位置關(guān)系圖，容易得到：

對于學生最困惑的Δt問題，同樣可以引導學生畫出圖4所示的時間關(guān)系圖（時間軸），建立時間模型，從時間軸得到：

Δt=T+■-■

最后得到汽車行駛的速度：

v=■=■ m/s=17.9 m/s

這是體現(xiàn)能力立意和素養(yǎng)立意的命題理念的一道運動學問題，單從物理知識上講只涉及初中所學知識，但對思維能力和學科素養(yǎng)的要求較高。通過正確的作圖，展示運動的圖景，建立運動的空間模型和時間模型，能打開學生的思維，使復雜、抽象的過程簡單、明了。

2? ? 作受力矢量圖，培育圖形分析素養(yǎng)

一幅研究對象的受力圖，所展示的是學生的相互作用觀和綜合分析的素養(yǎng)水平。如圖5所示的甲、乙兩幅圖，都是畫一根均質(zhì)桿放置在光滑半球形碗中處于靜止狀態(tài)時的受力圖，都能正確表示桿所受三個力的作用點和方向，但可以明顯看出作出乙圖的學生的物理素養(yǎng)要比作出甲圖的學生高出許多。因為乙圖還定性表示出三力大小的大致關(guān)系，更深層次的是他還體現(xiàn)出一個物體在受三個非平行力而平衡時，這三個力一定共點這樣的物理規(guī)律。乙圖恰當?shù)赝ㄟ^調(diào)整桿的長度來達到這一目的，這充分折射出學生在畫此受力圖時的內(nèi)心思維狀態(tài)和他的物理功底。

高一物理教學不僅要規(guī)范學生的作圖，而且要指導學生如何進行作圖，促使學生逐漸養(yǎng)成規(guī)范、準確作圖的習慣。有些物理問題，如果作圖不規(guī)范會導致分析出差錯。

例2 圖6所示的內(nèi)表面及碗口均光滑的半球形碗，一根細線跨在碗口上，線的兩端分別系有質(zhì)量為m1和m2的小球，當它們處于平衡狀態(tài)時，質(zhì)量為m1的小球與球心O點的連線與水平線的夾角α=60°。求兩小球的質(zhì)量比。

這道全國高考試題，相當多的學生由于不規(guī)范作圖，只畫一個分力，而且只想到垂直分解，畫的是如圖7甲所示的殘缺受力圖，從而得出錯誤關(guān)系式m2g=m1gcos30°。學生如能完整、規(guī)范地作出如圖7乙所示的受力圖，就容易得到正確的關(guān)系式m1g=2m2gcos30°[2]。

例3 如圖8所示，半徑為R的豎直固定的光滑大圓環(huán)上，套著一只質(zhì)量為m的空心小球。一根勁度系數(shù)為k、自然長度為L0的輕彈簧，一端系在圓環(huán)最高點，另一端系住小球。當小球靜止時，求彈簧與豎直方向的夾角的余弦。

這個問題也需要引導學生對小球進行受力分析，正確作出重力G、彈簧的彈力F和圓環(huán)對小球的支持力N。根據(jù)小球處于靜止狀態(tài)，這三個力的合力應為零，作出圖9所示的矢量關(guān)系圖。

由于規(guī)范、準確的作圖，才容易看出：力的矢量三角形與相關(guān)的幾何三角形相似，有■=■，而OA=R，AB=2Rcosθ，得到彈簧彈力F = 2mgcosθ。再根據(jù)胡克定律有F = k （2Rcosθ-L0），聯(lián)立上述方程解得cosθ=■。

這里如果沒有準確、規(guī)范、認真的作圖，就不會發(fā)現(xiàn)這里力矢量三角形與幾何三角形相似，也自然不會想到運用三角形的相似比進行求解。教學中應讓學生充分明白規(guī)范作圖的意義，明白作圖也是自己物理素養(yǎng)水平展示的一個窗口，常備隨手可取的作圖工具，如圓規(guī)、三角板、硬幣等物品，以便快速、準確作圖。

3? ? 作函數(shù)關(guān)系圖，培育圖像運用素養(yǎng)

圖像是物理學的一種重要語言，它可以準確表述兩物理量之間的關(guān)系。對圖像語言的掌握及運用水平，也是學生物理素養(yǎng)的重要表現(xiàn)。要學好高中物理，就得努力提升物理圖像語言的運用水平，這對解決物理問題大有裨益。高中物理教學應注重指導學生作物理量之間的關(guān)系圖像，并引導學生在分析問題、解決問題中加以運用，以培育學生的物理素養(yǎng)。

例4 由三塊相同長度的光滑鋼片構(gòu)成三條軌道，上端離地面的高度相同，鋼片a構(gòu)成斜面，鋼片b構(gòu)成凸面，鋼片c構(gòu)成凹面，如圖10所示。小滑塊分別從三條軌道的頂端由靜止開始下滑，試比較其下滑的時間。

面對這樣一個變加速下滑的復雜問題，如果引導學生作速率-時間圖像進行分析，還是比較容易作出判斷的。這里需要抓住三點：一是由機械能守恒可知三次下滑到地面的速率相同;二是速率-時間圖像所圍的面積表示路程;三是從軌跡切線的角度變化分析加速度大小的變化。這樣就可以引導學生作出圖11所示的速率-時間圖像，得到tb>ta>tc。通過這樣的圖像展開分析，就能很好地反映學生較高水平的物理素養(yǎng)。

例5 有兩只電阻R1和R2，它們的伏安特性曲線分別為圖12中的a和b。現(xiàn)將它們串聯(lián)后，接在電動勢E=4.0 V、內(nèi)電阻r= 1.0 Ω的電源兩端，試求出此時兩只電阻分別所消耗的電功率P1和P2。

雖然這道題需要的知識基礎(chǔ)不高，都是高中學生所具備的，但要解答本題卻需要較高的物理素養(yǎng)水平。首先，根據(jù)串聯(lián)電路電流處處相等，R1、R2串聯(lián)后的等效總電阻R兩端的電壓應是U=U1+U2，這樣就可以在同一坐標上由兩電阻的伏安特性曲線“相加”作出等效電阻的伏安特性曲線，如圖13中的曲線c所示。

然后，在該坐標中作出電源的伏安特性曲線（如圖線d），電源的伏安特性曲線與總電阻的伏安特性曲線相交點P，就是總電阻接在該電源兩端時的“工作點”，從圖像中讀出Ip=1.65 A處兩只電阻的伏安特性曲線上相應的電壓值Ua=1.50 V，Ub=0.80 V，計算得到它們的電功率Pa=2.48 W，Pb=1.32 W[3]。

學生經(jīng)歷這樣的分析過程，不只是學會運用圖像來描述兩個物理量之間的關(guān)系，而是學會運用圖像分析、解決具體的物理問題，有效促進學生物理素養(yǎng)的提升。

4? ? 作實物裝置圖，培育空間想象素養(yǎng)

高中物理所涉及的問題多是源于生產(chǎn)生活實際，實際問題進行適當簡化構(gòu)建出中學生能夠分析解決的理想模型。對于相對復雜的實際問題，如果沒有作出相應的裝置圖，僅憑大腦思考，會給大腦增加很大的思維負擔，且容易出錯。如果畫出與實際裝置特點相一致的圖形，把實際情境呈現(xiàn)在眼前，不僅可以減輕空間想象的壓力，提升空間想象的素養(yǎng)，而且對分析該裝置所涉及的物理問題是非常有益的。

例如，現(xiàn)實生活中有許多由桿、繩組成的承重裝置，但不同的裝置有著本質(zhì)的區(qū)別，如果作裝置圖時不加以認真考慮，會對問題的分析帶來極大的影響。圖14所畫的三種輕桿、輕繩結(jié)構(gòu)裝置圖，外觀相似，卻有本質(zhì)的區(qū)別。

如果斜拉繩與懸掛物塊的豎直繩屬于同一根繩，桿的末端又是光滑的，此時桿起著定滑輪的作用，而定滑輪只改變力的方向，不改變力的大小，可見斜拉繩和豎直繩的拉力大小都等于物塊的重力。那么，兩繩拉力的合力就一定不會沿桿。如果桿呈水平狀態(tài)，那么這根輕桿就只能是插入墻體或采取其他辦法固定才可能保持平衡，其裝置圖最好是畫成圖14甲所示的結(jié)構(gòu);如果桿是靠鉸鏈固定在墻面，那么這根輕桿的軸線就只能是處在兩繩拉力的合力作用線上方可保持平衡，其裝置圖就應畫成圖14乙所示的結(jié)構(gòu);對于圖14丙，其斜拉繩與懸掛物塊的豎直繩就不屬于同一根繩，而是兩根都系在桿B端的繩子，這兩根繩的拉力不相等。若丙圖桿的A端也是通過鉸鏈固定在墻面上，那么兩繩拉力的合力方向一定沿著水平桿。

因此，一幅裝置圖也能較好地反映出學生的物理素養(yǎng)水平。在指導學生作這些裝置圖的教學中，教師應該指導到位，讓學生明白其中的道理，理解作圖細微區(qū)別的深刻含義。

在物理習題教學中，物理習題的求解過程離不開作圖，圖形和圖像是實際問題與物理規(guī)律之間的解題思維橋梁。因此，高中物理教學應該從高一起始年級開始，強化學生的作圖訓練，通過作圖培育學生的物理素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]廖伯琴.課程標準與教材修訂（二）——如何在教材中凸顯對學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)[J].物理教學探討，2020，38（02）：1-5.

[2]林明華.慢悟理——中學物理重過程教學的探索[M].福州：福建教育出版社，2016：29-30.

[3]黃巧曦.注重考查物理實驗素養(yǎng) 體現(xiàn)實驗與理論相結(jié)合——從 2017 年高考全國Ⅰ卷物理電學實驗題探析說起[J].中學物理，2018，36（11）：63-65.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）