識圖、用圖、構圖，巧用物理圖像延伸科學思維

摘"要：物理圖像的形象直觀性使得其成為分析物理過程、建構物理模型、解決物理問題的重要手段。本文從識圖、用圖、構圖三個方面來總結提煉借助物理圖像延伸科學思維的方法。

關鍵詞：物理圖像；科學思維；關鍵能力

物理圖像問題在各省份高考中均屬于熱門考點。學生具備識別圖像、應用圖像、建構圖像的能力尤為重要。通過挖掘物理圖像中所蘊含的重要信息，建立解決此類問題的思維方式，對提高學生關鍵能力中的理解能力、推理論證能力、模型建構能力、創(chuàng)新能力都起到重要的作用，并能促進學生物理學科素養(yǎng)中科學思維的培養(yǎng)。

高考中常見的物理圖像應用一般分為兩種：一種是題目直接給出物理圖像，學生需要結合圖像和題目中給出的條件來分析具體問題；另外一種是題目未給出圖像，但需要學生自行繪制物理圖像來解決物理問題。本文將結合這兩種情況，從識圖、用圖、構圖三個方面闡述培養(yǎng)學生科學思維的有效策略。

1"根據圖像分析物體運動過程

例題"（2022年全國乙卷第20題）質量為1kg的物塊在水平力F的作用下由靜止開始在水平地面上做直線運動，F與時間t的關系如圖所示。已知物塊與地面間的動摩擦因數為0.2，重力加速度大小g取10m/s2。則（""）。

A. 4s時物塊的動能為零

B. 6s時物塊回到初始位置

C. 3s時物塊的動量為12kg·m/s

D. 0～6s時間內F對物塊所做的功為40J

1.1"識別圖像問題，尋找重要信息

物理圖像識別的關鍵在于捕捉圖像中給出的直接信息，如橫、縱坐標的物理、單位、標度的設置、圖像的斜率、截距以及與坐標軸圍成的面積等，然后再從這些信息中分析出圖像隱藏的特點及規(guī)律。為確保學生能夠正確識別圖像，就要求教師在教學過程中從教材出發(fā)，引導學生正確認識教材中用到的圖像工具，并有意識地培養(yǎng)學生應用圖像解決實際問題的能力。

在本題中，通過識別圖像可得到的直接信息有0～3s時，F1＝4N；3～6s時，F2＝－4N。間接信息為物塊受到的滑動摩擦力為Ff＝μmg＝2N。因為題中考查的問題都與速度有關，所以還要把力與運動結合起來，轉化為動力學的問題，即0～3s內物塊做初速度為零的勻加速直線運動，第3s開始做勻減速直線運動。

本題的易錯點在于容易將后3s的運動誤判為全程勻減速直線運動，而未考慮到實際上當速度減為0后，物體將反向運動，滑動摩擦力的方向也會隨之改變。

1.2"應用圖像特點，解決物理問題

通過分析圖像特點來推斷物塊的運動過程，運用運動學公式求出每個階段的物理量。這種常規(guī)方法對學生的計算及邏輯推理的能力要求較高，若學生將其中一個物理量算錯，或沒考慮到物塊速度減為0后的反向運動，那么對后續(xù)運動過程的分析很容易出現錯誤。這類圖像問題的分段分析，旨在考查學生的理解能力及推理論證能力。

1.3"建構圖像模型，拓寬解題思路

在原圖的基礎上作出合力與時間的圖像，接著轉化為加速度與時間的圖像（見圖1）。從a"-t圖像中可以得到，圖像與橫軸包圍的面積是速度變化量。再將原圖轉化為速度與時間圖像（見圖2），從v"-t圖像中可以得到，圖像與橫軸包圍的面積是位移。通過建構圖像模型，可快速完成對四個選項的判斷。

2"根據運動情況，建構物理圖像

例題"（2018年黑龍江省大慶實驗中學高三得分訓練二）如圖所示，M、N兩點處于同一水平面，O為M、N連線的中點，過O點的豎直線上固定一根絕緣光滑細桿，桿上A、B兩點關于O點對稱。第一種情況，在M、N兩點分別放置電荷量為＋Q和－Q的等量異種點電荷，套在桿上帶正電的小金屬環(huán)從A點無初速度釋放，運動到B點；第二種情況，在M、N兩點分別放置電荷量為＋Q的等量同種點電荷，該金屬環(huán)仍從A點無初速度釋放，運動到B點。則兩種情況中（""）。

A. 金屬環(huán)運動到B點的速度第一種情況較大

B. 金屬環(huán)從A點運動到B點所用的時間第一種情況較短

C. 金屬環(huán)從A點運動到B點的過程中，動能與重力勢能之和均保持不變

D. 金屬環(huán)從A點運動到B點的過程中（不含A、B兩點），在桿上相同位置的速度第一種情況較大

【常規(guī)解題思路】

第一種情況：等量異種電荷連線的中垂線是等勢線，若取無窮遠處為零勢能點，則該中垂線上的電勢都為0。帶正電的小金屬環(huán)從A點運動到B點的過程中，在豎直方向上只受重力作用，因此，小金屬環(huán)從A點開始做初速度為0的勻加速直線運動，其加速度為重力加速度，即自由落體運動。在此過程中，重力勢能轉化為動能。

第二種情況：等量同種正電荷連線的中垂線上，電場線從O點分別指向A、B方向。根據對稱性，A、B兩點的電勢相等，從A點運動到B點，重力勢能全部轉化為動能。因此，在兩種情況下，小金屬環(huán)運動到B點的速度相等，選項A錯誤。

但在第二種情況中，小金屬環(huán)從A點運動到O點的過程中受到向上的電場力，而從O點運動到B點的過程中受到向下的電場力，因為到B點的速度與第一種情況一樣，故在到B點前，第二種情況的速度都比第一種情況的速度小，選項D正確。因此第二種情況的運動時間比較長，選項B正確。在第一種情況下，只有重力做功，動能與重力勢能之和不變；而在第二種情況下，從A點到O點，電場力做負功，動能與重力勢能之和減少；從O點到B點，電場力做正功，動能與重力勢能之和增加，選項C錯誤。

常規(guī)解題思路中，學生需要全面理解小金屬環(huán)在兩種情況下的受力、運動和能量轉化情況。在課堂講評過程中，部分學生無法直觀地感受到兩種情況下運動的區(qū)別，這對他們科學思維的發(fā)展所起的作用相對有限。

2.1"建構圖像，簡化物理推理過程

借助運動學中的v"-t圖像，學生可直觀地判斷運動過程中的加速度、速度、位移的變化趨勢。假設A點在等量同種電荷中垂線電場強度最大處的下方。根據題中描述的兩種情況，以及小金屬環(huán)的受力特點，可畫出兩種情況的v"-t圖像（見圖3）。若A點在中垂線上電場強度最大處的上方，畫的圖像也將類似，只是第二種情況的斜率有些變化。

在描繪v"-t圖像時，需要確保理解以下幾點：首先，在B點處，兩種情況的速度是相等的；其次，在同一位置，第二種情況的速度相較于第一種情況更小；最后，由于兩種情況的位移總量是相等的，因此它們在v"-t圖像上與橫軸所包圍的面積也是相等的。在建構物理圖像的過程中，實際上也在對這兩種情況的受力和運動情況進行合理推導。借助圖像，把推理過程具象化、直觀化、形象化。

2.2"識別圖像，加快運動過程分析

涉及物理圖像的物理問題，其最大優(yōu)勢在于直觀性。物理圖像不僅可以直觀地展現出物體的運動過程，還能使學生在短時間內建立正確的物理模型。［1］善于運用物理圖像，挖掘圖像中的物理信息，將復雜的物理過程通過圖像的斜率、截距等具體參數進行具象化，實現數與形的巧妙結合。

從圖3中可明顯看出，第一種情況所用時間更短。還可以看出，在同一時刻，第二種情況運動的位移更少。因此，在同一時刻，第二種情況所在的位置在第一種情況的上方。兩圖像斜率一樣的地方就是兩種情況下金屬環(huán)經過O點的時刻。經過O點前，第二種情況的加速度比第一種情況小；過了O點，第二種情況的加速度比第一種情況大。在識別圖像的過程中，通過獲取物體運動的相關信息，并持續(xù)完善個人的推理過程，這種策略可以有效地促進學生科學思維的發(fā)展。

3"教學建議

3.1"圖像本質優(yōu)先

解決所有圖像問題，都需要學生對圖像的基本性質及特點有全面的理解，例如圖像的斜率、截距、與坐標軸圍成的面積、轉折點、正負代表的含義等。圖像問題一直是學生學習的一個難點；因此，教師在安排教學任務時要循序漸進，根據學生的具體學情及認知特點來分散難點，有效完成圖像法的教學任務。只有對圖像基本性質有一定的認識，學生才能正確識別圖像中傳遞的信息。這就要求教師在進行各個模塊的圖像教學時，要抓住圖像的本質，為學生打好圖像法的基礎。

3.2"數形結合輔助

在利用圖像法解決物理問題的過程中，有一類問題特別側重于分析圖像中橫、縱坐標之間所呈現的數學函數關系。學生通過運用這些函數關系中的斜率及截距等關鍵參數來解決物理問題。那么教師在進行圖像教學時，可以設計教學任務，將多種圖像綜合起來，把物理圖像中涉及的常見函數關系式整理成相互關聯的系統知識模塊［2］，協助學生實現知識的系統化和能力的模塊化。

參考文獻

［1］文莉，程建蘭，王海楠，等.新高考物理圖像題的分析與教學建議［J］.物理通報，2022（S2）：46"-51.

［2］蔡學元.以物理圖像問題為例談如何培養(yǎng)思維能力［J］.中學物理教學參考，2021，50（36）：21"-24.