數(shù)形結(jié)合突破高中物理解題困境

摘要：文章以“數(shù)形結(jié)合”思維模式為基礎(chǔ)，結(jié)合幾道典型例題，對數(shù)形結(jié)合思維的不同應(yīng)用方法進(jìn)行了相應(yīng)探究，讓學(xué)生掌握數(shù)形結(jié)合思想在物理解題中的運(yùn)用方法，加強(qiáng)解題應(yīng)用訓(xùn)練，提高數(shù)形結(jié)合思想在高中物理解題中的應(yīng)用成效，從而促進(jìn)學(xué)生物理解題能力的提升.

關(guān)鍵詞：數(shù)形結(jié)合；高中物理；解題

中圖分類號：G632文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0333（2024）27-0071-03

通過具體習(xí)題課，向?qū)W生傳授“數(shù)形結(jié)合”的思想，以提升學(xué)生解題的靈活性，提高問題的解決效率和準(zhǔn)確率.

1“以形助數(shù)”對物理問題進(jìn)行簡化

在高中物理力學(xué)部分習(xí)題中，抽象性和復(fù)雜性是其典型特征.針對此類問題，通常有一部分學(xué)生對于題目中各個物理量之間的關(guān)系難以有效把握，因此在這類問題的求解中，需要將題目中隱藏的運(yùn)動學(xué)特征和受力分析等以圖形的方式表現(xiàn)出來，以發(fā)掘更多的解題條件，實現(xiàn)更為直觀的分析[1-2].

例1如圖1所示，兩個物體的質(zhì)量分別為m=1 kg，m=5 kg，兩個物體放在與水平地面靜止的長木板兩端，且兩個物體與長木板之間的動摩擦因數(shù)均為μ=0.5，同時長木板與地面之間的動摩擦因數(shù)為μ=0.1.假設(shè)在t=0時刻，兩個物體均以v0=3 m/s的速度開始相向移動，且兩個物體相遇時，物體q恰好和木板保持相對靜止.假設(shè)最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，且g取10 m/s²，問：

（1）當(dāng)物體p與木板相對靜止時，木板的速度是多少？

（2）當(dāng)物體p與物體q開始移動時，兩個物體之間的距離是多少？

解析根據(jù)此例題不難看出，該題為典型的綜合題，抽象性和復(fù)雜程度均較高，使得常規(guī)的受力分析等方法相對較為復(fù)雜而容易出錯，因此要從運(yùn)動學(xué)的角度應(yīng)用“數(shù)形結(jié)合”思維畫圖求解.

首先結(jié)合題中已知條件，借助已學(xué)過的動力學(xué)知識，畫出相關(guān)物體的速度-時間圖像，具體如圖2所示.

根據(jù)圖2可知，當(dāng)時間t=0.4 s時，物體p與木板將處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，此時木板的速度是1 m/s.

同時，基于該速度-時間圖像的物理意義，即可求出物體q和地面之間的相對位移，其通過速度曲線與時間軸所圍合的面積獲得，即S-S=0.875 m；同理即可求得在物體p與木板處于相對靜止?fàn)顟B(tài)瞬間（即時間t=0.4 s）時，物體p相對于地面的位移以S表示，其值為0.8 m.在t（0.3 s）時間內(nèi)，物體p相對于地面的位移則以S梯形BDFG表示，其值為0.225 m，由此即可求得p、q兩物體在開始運(yùn)動時的距離的表達(dá)式為

s=s+s+s

基于圖2獲取上述數(shù)據(jù)，代入后解得s=1.9 m即為所求.

2基于“以數(shù)解形”的理念來剖析和解決問題

在一些高中物理習(xí)題中，通常涉及基于已有的圖像來提取題目中的已知條件，但由于圖像在直觀信息提供方面的準(zhǔn)確度通常存在不足，因此直接應(yīng)用圖像難以得到準(zhǔn)確的物理規(guī)律.這就需要結(jié)合具體圖像，進(jìn)行必要的定量計算以發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，由此，圖形與物理量計算的結(jié)合當(dāng)然不可或缺[3].

例2在光電效應(yīng)實驗中，一名同學(xué)使用同一件光電管，并使用甲、乙、丙三種不同類型的光線照射該光電管，得到三種不同條件下的電流-電壓關(guān)系曲線如圖3所示.

根據(jù)圖3判斷，下列說法正確的是（）.

A.光線甲的頻率大于光線乙的頻率

B.光線乙的波長大于光線丙的波長

C.光線乙對應(yīng)的截止頻率大于光線丙對應(yīng)的截止頻率

D.光線甲對應(yīng)的光電子最大初動能大于光線丙對應(yīng)的光電子最大初動能

解析根據(jù)該題不難看出，其以課本上的光電效應(yīng)概念知識為基礎(chǔ)，進(jìn)行了較明顯的拓展，導(dǎo)致難度大為提升，僅憑題目中的已知條件無法進(jìn)行常規(guī)求解，這就需要對圖像進(jìn)一步分析.結(jié)合圖像可知，在圖3描述的光電效應(yīng)過程中，涉及光電子在電場中的加速運(yùn)動和減速運(yùn)動，其對應(yīng)著光電管加正向電壓和反向電壓兩種情況.

首先分析光電管加正向電壓情況.此時，隨著正向電壓的增加，參與導(dǎo)電的光電子數(shù)增加，當(dāng)正向電壓增加到某一臨界值后，所有逸出的光電子都將參與導(dǎo)電，光電流也在此時達(dá)到最大值，此時繼續(xù)加大正向電壓則無法對光電流再產(chǎn)生影響.

其次分析光電管加反向電壓情況.當(dāng)增大反向電壓時，參與導(dǎo)電的光電子數(shù)將減少，但當(dāng)反向電壓增加到某一臨界值后，所有逸出的光電子都不再參與導(dǎo)電，此時的光電流恰好為零.這時光電管兩端施加的反向電壓值即為“截止電壓”，對應(yīng)的光的頻率為截止頻率，如繼續(xù)增加反向電壓則光電流始終為零不再改變，由此，結(jié)合動能定理，可列出方程為

eU=1/2mv²=hγ-W

根據(jù)該方程不難看出，入射光的頻率越高，則對應(yīng)的截止電壓U也就越大，據(jù)此結(jié)合圖3分析可知，光線丙對應(yīng)的截止電壓為最大，所以光線丙的頻率最高（波長也最短），其對應(yīng)的光電子最大初動能也最大，因此該題選擇B項.

3基于“數(shù)形結(jié)合”思維提升物理解題思維能力在當(dāng)前的高中物理習(xí)題中，部分習(xí)題對于學(xué)生思維能力有較高要求，此類問題中的一部分屬于典型的“易錯題”，任何細(xì)節(jié)上的細(xì)微差錯都可能導(dǎo)致整體解題發(fā)生錯誤，進(jìn)而造成大面積的失分.對于此類問題，其關(guān)鍵則在于應(yīng)用“數(shù)形結(jié)合”的思維提升物理解題思維能力，靈活應(yīng)用物理知識和方法解決問題[4].

例3某同學(xué)使用如圖4所示的電路，探究太陽能電池輸出功率、光照強(qiáng)度與外電路電阻的關(guān)系，其中P為電阻箱，R0為定值電阻，其阻值為37.9 kΩ，E為太陽能電池，μA為電流表（此電流表量程為0～100 μA，內(nèi)阻為2.10 kΩ）.

在連接好電路后，首先在某光照強(qiáng)度上測試出太陽能電池的輸出電壓U與電阻箱P的電阻R之間的關(guān)系如圖5中的曲線1所示，而后將光照強(qiáng)度調(diào)整至某個更高的值進(jìn)行測試，得到U-R關(guān)系如圖5中的曲線②所示，不考慮電流表和電阻R0消耗的功率，與曲線①相比，在電阻R相同的情況下，曲線②中太陽能電池的輸出功率（選填“較小”或“較大”）.同時，根據(jù)圖像估算曲線②中太陽能電池的最大輸出功率約為W（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）.

解析該習(xí)題為2021年重慶高考真題，從實際的評卷結(jié)果來看，本次展示的習(xí)題部分，有相當(dāng)一部分學(xué)生都在功率求解上失分，其典型錯誤思路及解法如下：結(jié)合曲線②估算出此時R=r≈29.4 Ω，因此太陽能電池的最大輸出電功率P=E2/4r，代入數(shù)據(jù)解得約為66.7 mW.初步分析，造成此類錯誤的主要原因在于，學(xué)生未考慮太陽能電池的內(nèi)阻r是一個動態(tài)變化的值.

基于此，考慮到該題目中太陽能電池的內(nèi)阻r存在動態(tài)變化的特征，不能直接應(yīng)用已給出的圖像進(jìn)行求解，因此在已有圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)一步應(yīng)用數(shù)形結(jié)合思維則較為重要.應(yīng)用導(dǎo)數(shù)法進(jìn)行求解則相對較為可行，因此基于電池輸出功率的表達(dá)式P=U2/R，對該函數(shù)式進(jìn)行求導(dǎo)，并結(jié)合已有曲線知，當(dāng)電池輸出功率最大時，其處于極大值點，導(dǎo)數(shù)等于零，因此令導(dǎo)數(shù)式為零，得到數(shù)量關(guān)系為dU/dR=1/2·U/R.

基于該數(shù)量關(guān)系，進(jìn)一步引入圖像進(jìn)行理解，顯然，該函數(shù)式的導(dǎo)數(shù)值可以理解為已有曲線的切線斜率，且當(dāng)U-R圖像上某點的切線斜率等于該點與原點O割線斜率的一半時，太陽能電池輸出功率存在最大值，就此，過圖5曲線②上的N點，做切線和割線ON，切線交U軸于E點，過N點的水平線交U軸于F點.當(dāng)E點為OF線段的中點時，斜率k=1/2·kON，此時太陽能電池輸出功率達(dá)到最大值，約為108 mW.

4結(jié)束語

當(dāng)前高中物理考查內(nèi)容的靈活性仍在不斷提升，對于學(xué)生的能力水平有著更高的要求，常規(guī)的“死記硬背”和“套用公式”等方法已經(jīng)不再有效.這就需要用好“數(shù)形結(jié)合”這一有效工具，以此加強(qiáng)學(xué)生對物理原理的理解，引導(dǎo)學(xué)生從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變，由此提高學(xué)生的解題素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

［1］ 劉會.高中物理解題中運(yùn)用數(shù)形結(jié)合方法的實踐探究 [J].數(shù)理天地（高中版），2023（24）：10-11.

[2] 鄧敏.圖像法在高中物理解題中的應(yīng)用 [J].數(shù)理化解題研究，2023（31）：106-108.

[3] 董亮.數(shù)形結(jié)合思維在高中物理解題中的應(yīng)用 [J].數(shù)理天地（高中版），2023（12）：15-17.

[4] 李成豐，王軍.活用數(shù)形結(jié)合 巧解估值問題：以2021年重慶新高考物理電學(xué)實驗題為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2022，51（36）：54-56.

［責(zé)任編輯：李璟］