剖析電阻“U-I”圖像，談物理觀念的科學(xué)表達(dá)

陳宗獻(xiàn)

摘? ?要：物理是一門(mén)自然科學(xué)，物理概念、原理、定律、公式、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、圖像的表達(dá)都有它的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性和嚴(yán)密性，若不能科學(xué)表達(dá)，往往會(huì)傳遞錯(cuò)誤的信息，得出錯(cuò)誤的結(jié)論，甚至背離學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);物理觀念;科學(xué)表達(dá)

無(wú)論是教學(xué)還是考試與評(píng)價(jià)，都是圍繞學(xué)科的核心素養(yǎng)展開(kāi)，任何學(xué)科無(wú)一例外。因此，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)是為師的職責(zé)，更是落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的要求。眾所周知，物理觀念貫穿物理教學(xué)和考試與評(píng)價(jià)的始終，是教學(xué)與考查不可或缺的元素，縱觀各級(jí)各類考試，物理觀念滲透于各種題型，剖析學(xué)生失分的諸多因素，不難發(fā)現(xiàn)，不能科學(xué)表達(dá)物理知識(shí)是其中失分的重要原因，所以，學(xué)生唯有牢固掌握學(xué)科知識(shí)并科學(xué)表達(dá)才能決勝各種考試。為此，筆者從“U-I”圖像入手，談幾點(diǎn)物理觀念的科學(xué)表達(dá)。

1? 科學(xué)表達(dá)物理函數(shù)圖像

眾所周知，圖像以它的形象直觀特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各學(xué)科教學(xué)，許多學(xué)科期刊雜志和網(wǎng)絡(luò)發(fā)表了有關(guān)它在各學(xué)科應(yīng)用的文章，物理學(xué)科應(yīng)用圖像教學(xué)也不例外，物理過(guò)程和規(guī)律的描述，物理概念和模型的建立，物理量間的關(guān)系及變化趨勢(shì)的表達(dá)等都離不開(kāi)圖像的身影，更是在解決物理問(wèn)題時(shí)發(fā)揮著重要作用，但函數(shù)圖像表達(dá)的科學(xué)性似乎很少有人關(guān)注，以至于出現(xiàn)錯(cuò)誤的表達(dá)，至今還在練習(xí)、試卷、課輔材料、甚至中考試題中沿用卻渾然不知。

如圖1是筆者隨拍的幾張圖片，且看題目中所畫(huà)的“U-I圖像”，從函數(shù)來(lái)說(shuō)，存在兩個(gè)變量，分別為自變量和因變量，在函數(shù)圖像中，橫坐標(biāo)表示自變量，縱坐標(biāo)表示因變量，圖像直觀反映因變量隨自變量變化關(guān)系和變化趨勢(shì)，即縱坐標(biāo)的因變量隨橫坐標(biāo)的自變量變化。因此圖1函數(shù)圖像所表達(dá)的是U隨I變化，單從數(shù)學(xué)來(lái)說(shuō)是無(wú)異議的，但要從物理學(xué)角度看，U隨I變化是錯(cuò)誤的，因?yàn)殡妷菏切纬呻娏鞯脑?，先有電壓而后才可能有電流，即電壓不可能隨電流變化，只可能電流隨電壓變化。所以筆者認(rèn)為圖1所畫(huà)的電阻“U-I圖像”是錯(cuò)誤的，“I-U圖像”才是正確的，才是物理學(xué)科函數(shù)圖像的科學(xué)表達(dá)。

又如：圖2題中所提供的答案選項(xiàng)是“U-I圖像”，它的科學(xué)性前面已有討論，這里不再探討，但針對(duì)題中所提供的正確答案A圖，筆者有個(gè)人見(jiàn)解，暫且不追究“U-I圖像”的科學(xué)性，筆者認(rèn)為圖像存在明顯瑕疵，分析如下：圖像所描述的是變阻器R2兩端電壓隨通過(guò)電流的關(guān)系，分析題意可知，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器R2滑片P，不管R2有多大，有R1的存在，R2兩端電壓都不可能等于電源電壓，只會(huì)接近電源電壓（除非R2開(kāi)路，才會(huì)等于電源電壓），所以圖像不能客觀反映變阻器R2兩端電壓隨通過(guò)電流的變化關(guān)系，即題中A圖不符合客觀事實(shí)，筆者認(rèn)為，用圖3圖像替換題中的A圖才比較符合題中的客觀實(shí)際。

2? 科學(xué)表達(dá)物理定律

物理定律是自然界的客觀規(guī)律，是實(shí)踐和事實(shí)所證明的普遍規(guī)律，它的正確性不容置疑，但總有同學(xué)在表達(dá)定律內(nèi)容時(shí)出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題，如漏字、改字、順序顛倒等，致使所表達(dá)的意思與原定律內(nèi)容存在較大的偏差，甚至出現(xiàn)邏輯性錯(cuò)誤，因此，教學(xué)時(shí)教師要適時(shí)提醒學(xué)生注意物理定律內(nèi)容描述的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性和嚴(yán)密性。

如：歐姆定律（內(nèi)容：一段導(dǎo)體中的電流，跟加在這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟這段導(dǎo)體的電阻成反比）。關(guān)于歐姆定律內(nèi)容的表達(dá)有以下幾點(diǎn)值得提醒：①“一段、這段、這段”體現(xiàn)一致性，指同一導(dǎo)體（或同一部分電路）;②電壓前需加“兩端”，指出電壓不存在點(diǎn)電壓;③“成正比、成反比”，不是簡(jiǎn)單說(shuō)明一物理量隨另一物理量增大而增大或增大而減小，還著重強(qiáng)調(diào)變化的倍數(shù)是一樣的。

又如：光的反射和折射定律。關(guān)于光現(xiàn)象的這兩個(gè)定律，描述的是光在傳播過(guò)程中發(fā)生反射和折射現(xiàn)象時(shí)，反射光線、折射光線隨入射光線變化所遵循的規(guī)律，是反射角、折射角隨入射角變化的規(guī)律。但在表達(dá)定律內(nèi)容時(shí)，還是有不少同學(xué)缺乏物理層面思考，沒(méi)有先后觀念和因果的思慮，沒(méi)有把反射光線、折射光線寫(xiě)前面，沒(méi)有把反射角、折射角寫(xiě)前面，如此順序顛倒的表達(dá)，顯然犯了因果毛病。

3? 科學(xué)表達(dá)物理概念和定義

物理概念和定義是科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和嚴(yán)密的，它是物理現(xiàn)象和物理過(guò)程的科學(xué)抽象，源于科學(xué)實(shí)踐。準(zhǔn)確表達(dá)物理概念和定義是學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和縝密的科學(xué)思維。如，光的折射現(xiàn)象概念：光從一種透明介質(zhì)斜射入另一種透明介質(zhì)時(shí)，光的傳播方向一般（或通常）會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫光的折射。概念中的“斜”字排除了“垂直”情況，“一般（或通常）”考慮了個(gè)別特例（透鏡中過(guò)光心的光線光的傳播方向不改變，這是折射現(xiàn)象的特例）。又如，燃料熱值的定義：人們把某種燃料完全燃燒放出的熱量與所用該燃料的質(zhì)量之比，叫做這種燃料的熱值。定義中的“完全”就是告訴我們?nèi)剂衔ㄓ型耆紵懦龅臒崃颗c質(zhì)量的比值才是熱值。由此可見(jiàn)，物理概念和定義的描述，措詞嚴(yán)謹(jǐn)，關(guān)鍵字詞不得隨意丟棄或修改，這才是它們科學(xué)性、嚴(yán)密性和準(zhǔn)確性的體現(xiàn)。

4? 科學(xué)表達(dá)公式的物理意義

一個(gè)物理公式有其物理意義和數(shù)學(xué)意義，有的公式物理意義和數(shù)學(xué)意義相同，有的公式物理意義和數(shù)學(xué)意義是不一樣的，因此，表達(dá)公式物理意義時(shí)，要立足學(xué)科核心素養(yǎng)，區(qū)別對(duì)待不同的物理公式，不能盲從數(shù)學(xué)，否則會(huì)出現(xiàn)與學(xué)科知識(shí)沖突或背離。

如，涉及物質(zhì)屬性或特性物理量的公式及變形公式，物理意義和數(shù)學(xué)意義是不一樣的，描述時(shí)必須避免數(shù)學(xué)化，否則會(huì)與物質(zhì)的性質(zhì)或特性相矛盾。如密度公式（ρ=m/V）、比熱容公式[c=Q/（m·Δt）]，由于它們都是物質(zhì)的屬性，大小皆由材料或物質(zhì)的種類決定的，跟公式中的其它物理量無(wú)關(guān)，因此即使控制了變量，也不能說(shuō)密度、比熱容與某個(gè)物理量成正比或成反比。它們的變形公式同樣存在科學(xué)表達(dá)問(wèn)題，如m=ρV，不能說(shuō)體積一定，質(zhì)量與密度成正比，只能說(shuō)同體積的不同物質(zhì)，密度大的物質(zhì)質(zhì)量大。又如V=m/ρ，不能說(shuō)質(zhì)量一定，體積與密度成反比，只能說(shuō)同質(zhì)量的不同物質(zhì)，密度大的物質(zhì)體積反而小。

再如，電阻公式（R=U/I），顯然導(dǎo)體的電阻大小取決于材料、長(zhǎng)度、橫截面積和溫度，與通過(guò)導(dǎo)體電流和加在導(dǎo)體兩端電壓無(wú)關(guān)，因此不能說(shuō)電流一定，電阻與電壓成正比，也不能說(shuō)電壓一定，電阻與電流成反比，否則會(huì)與電阻是導(dǎo)體的性質(zhì)相矛盾。

5? 科學(xué)表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)探究題是初中物理各級(jí)各類考試不可或缺的題型之一，主要考查學(xué)生科學(xué)探究的各方面能力，考查學(xué)生觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、歸納總結(jié)得出結(jié)論的能力，然而在各種考試中，總有同學(xué)不能科學(xué)表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，忽略前提條件、變量不控制、漏字、順序顛倒是他們常有的表現(xiàn)。

如，考查探究電流與電壓關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生常有“電壓與電流成正比”結(jié)論，考查探究電流與電阻關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí)，常有“電阻與電流成反比”結(jié)論，顯然這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論都忽略了控制變量，另“電壓與電流”“電阻與電流”順序出現(xiàn)了顛倒，前者犯了因果毛病，后者與電阻是導(dǎo)體的性質(zhì)相矛盾;又如，當(dāng)一個(gè)物理量與多個(gè)物理量有關(guān)時(shí)，探究方法的最佳選擇就是控制變量，且只能唯一變量，若所描述的探究結(jié)論要指出物理量間的具體關(guān)系，沒(méi)有變量的控制，那一定是錯(cuò)誤的;然而在考查時(shí)，不控制變量的實(shí)驗(yàn)結(jié)論卻大有人在。

當(dāng)然，獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)論的渠道有多種，有的實(shí)驗(yàn)只需通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行分析便可得出，如探究影響壓力作用效果的因素，透鏡對(duì)光線的作用，探究凸透鏡成像規(guī)律，探究影響液體蒸發(fā)快慢的因素，探究電阻的大小與哪些因素有關(guān)，探究怎樣產(chǎn)生感應(yīng)電流等;有的實(shí)驗(yàn)需采集多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析才能得出結(jié)論，如探究杠桿平衡條件，探究電流與電壓和電阻的關(guān)系，探究串并聯(lián)電路的電流和電壓規(guī)律等;有的實(shí)驗(yàn)要在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行推理才能得出結(jié)論，如真空不能傳聲?？傊?，不管通過(guò)哪條渠道得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，科學(xué)是第一條。因此，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究能力的同時(shí)，要培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的能力并進(jìn)行科學(xué)表達(dá)。

總之，學(xué)科核心素養(yǎng)貫穿教學(xué)和考試與評(píng)價(jià)始終，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)重任在肩，唯有張緊學(xué)科核心素養(yǎng)這根弦，才能科學(xué)施教，傳授科學(xué)知識(shí)，才能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和掌握扎實(shí)的學(xué)科知識(shí)，才能科學(xué)表達(dá)物理觀念。

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