一圖抵千言——圖像在高中物理教學中的作用例析

徐海菊

(江蘇省南通中學,江蘇 南通 226001)

中學階段的物理學習離不開圖像,平時學習中接觸到的圖像素材有圖片、示意圖、曲線圖、函數圖像等.識圖、析圖、畫圖是學生提高物理學習效果的一種重要手段,高中階段,學生的抽象思維占物理學習思維的主體地位,由于學生的抽象思維還不夠成熟,因此需要形象思維的激發,簡潔、形象的示意圖能夠讓學生切入到物理事件的輪廓、軌跡、原理,進而加深對概念和規律的理解;函數圖像、軌跡圖等則能夠引導學生去發現物理規律內在結構以及結構中各物理量對應的變化關系,能夠更為清晰、直觀地展示物理情景的動態過程.可以說“一圖抵千言”,圖像在物理學習中的作用是不可替代的.

1 圖像用于概念教學,無形“畫”為有形

清晰、準確的理解并建立物理概念是學生高中階段學好物理的基礎,教育學、心理學研究表明,接觸并記住概念的定義不等同于知識的內化,要想使物理概念在頭腦中生根需要大量直觀的認識作為基礎,而且要經歷一個“實物直觀→模型直觀→圖形直觀→語言直觀”的漸進式發展過程,在提供直觀認知時充分利用圖像,能夠促使抽象概念形象化.

例如,“力”這個概念,引入了力的圖示和力的示意圖之后,讓學生在理解“力是物體間的相互作用”這個概念的基礎上,對力的本質有了更深入的理解,同時“力”也因此變得形象化,可操作化了.再例如,電場這一章節的幾個概念,在引入了電場線、磁感線、等勢面等圖像化的概念后,一系列概念的理解就更容易了.

2 圖像用于規律教學,難“畫”為易

首先,借助于示意圖可以使物理規律及物理過程躍然“圖”上,這個形象化的過程促進了學生思維的發展,提高了學生抽象概括的能力.

例如,“牛頓第一定律”的教學,將伽利略理想斜面實驗示意圖畫在黑板上(如圖1所示),或是將示意圖投影出來,能夠有效消除學生的生活經驗對規律的干擾,深化對規律的理解.

圖1

其次,函數圖像可以揭示物理規律的本質,尤其是具有對比性的圖像,能夠讓學生加深對物理規律本質的認識,便于物理規律的內化.

例如,“自由落體運動”和“豎直上拋運動”不僅是勻變速直線運動的兩個特例,而且它們也是重要的運動模型,但想讓剛進入高中不久的學生深入理解其中的動力學特點和所蘊含的物理規律,卻不僅僅是靠教師多講、學生多練可以實現的.借助于數學函數圖像(如圖2所示),可以有效縮短學生的思維進程,學生對豎直上拋運動的規律及對稱性理解更為透徹.

圖2

圖3

再如,研究“電源輸出功率隨外電阻變化的規律”時,如果采用理論推導,對于公式必須對公式再變形,運用數學基本不等式才可以判斷,而且對于特定的電路,在動態分析的過程中,外電阻的阻值一般調不到與電源內阻的阻值相等,學生對此規律的認識表現為無所適從.如果將公式與圖像(如圖3所示)結合起來引導學生去分析的話,學生能夠很直觀地從整體上把握規律,加深思維痕跡.

3 圖像用于實驗教學,千言“畫”為一圖

實驗教學是高中物理教學的一個重要內容,實驗教學重在“探究”,每節實驗課都有明確的實驗目的,要求學生利用原有認知進行方案的設計,選擇合適的裝置進行操作,實驗過程中記錄和處理數據.圖像在實驗教學尤其是在數據處理中起到的作用是不可忽視的.

(1)借助圖像簡化數據處理,直觀揭示物理本質和規律.

例如,在探究“加速度與質量的關系”時,保持小車所受的合力不變,得到小車的加速度與質量的幾組數據,學生很難直接看出兩者間的相互關系,此時先引導學生描點連圖,作出a-m函數圖像,圖像看上去好像是一條雙曲線(如圖4所示),繼而猜測出小車的加速度a與小車的質量m成反比.為了進一步驗證猜想,可以再引導學生變換坐標軸對應的物理量,作出圖像,此時可以得到一條過原點的直線(如圖5所示),學生由圖像很容易得出結論:當合力一定時,小車的加速度與質量成反比.

圖4

圖5

(2)借助函數圖像,實施間接測量.

對于物理中的函數圖像,學生不僅要理解圖像上的坐標所對應的物理量的意義,還要掌握圖像的斜率、截距、面積等信息賦予的特定的物理意義.

例如,在“測定電源的電動勢和內阻”的實驗中,根據實驗測量的數據描點連圖,圖像為如圖6所示中的實線.這時,教師應引導學生將實線兩端向外延伸(圖6中虛線),交兩坐標軸于Im、Um,這兩個截距是兩個特殊狀態下的電流表和電壓表的讀數,即短路電流Im和斷路電壓Um,再結合全電路歐姆定律,公式U＝E－Ir,可以得出

圖6

4 自主描繪“物理圖像”,發展學生的“視覺-空間”智力

在霍華德·加德納的《智力的結構》一書中指出,影響個體發展的智力被分為8類,其中的“視覺-空間”智力是一種三維的空間思維能力,如果學生的“視覺-空間”智力強,則他能夠準確地感知物理現象的外部和內部特征,并以圖形的形式將視覺或空間思維準確地呈現出來.在物理學習過程中,學生畫示意圖的過程是將一個物理情景或物理問題,與大腦中的記憶表象進行有效鏈接并將物理情景外顯為物理圖像的過程.學生畫示意圖能夠實現物理問題“視圖化”,學生能夠準確畫出物理示意圖,通常其解譯圖形信息的能力也較強.

例如,一雜技演員表演走繩索,當其走到繩索中點時,原先水平的繩索現在與水平方向成θ角,求此時繩索上的張力是演員體重的多少倍？

這道題要想正確地解答出來,需要學生從大腦中提取生活現象,將走鋼絲的物理情景抽象為簡單的物理模型,并用示意圖的方式呈現出來,如圖7所示.實現了物理問題的“視圖化”,該問題也就迎刃而解.

圖7

“繪畫是一種描述”,不同的學生由于“視覺-空間”智力水平的差異,會導致示意圖表現意象的清晰度、完整性有差異.但是教師在平時的物理教學過程中,只要堅持針對性培養學生畫示意圖的意識,通過有序的訓練,學生“看、想、畫”的能力必然會穩步提升,對物理意象的理解會更整體化、準確化、多維化.

運用代數的方法解決物理問題,運算往往較為復雜.運用畫函數圖像的方法,可以定性或定量地得到答案,實現物理過程及結果的“視圖化”.

例如,一個物體做勻變速直線運動,已知時間t內通過的路程為s,試比較該物體在中間位置的速度v1和中間時刻的速度v2的大小關系.

處理這個問題時,假如根據公式,需同時考慮加速和減速兩種情況,即分為a＞0和a＜0兩種情形討論,通過解方程組比較v1和v2的大小關系,對于高一的學生而言計算要求過高,往往耗時而不得其解.

如果能引導學生分別畫出物體做勻加速和勻減速兩種情形的v-t圖像,分別如圖8(a)、(b)所示.兩種情形中,中間時刻的速度可以直接通過坐標找出,中間位置的速度可以根據將圖形劃分成的梯形面積相等找到.通過兩幅圖形的對比,可以清晰地看出無論是勻加速運動還是勻減速運動,都有v1＞v2.

圖8

物理圖像作為圖像的一種特殊形式,是學生在高中物理學習這個特殊的時期必不可少的,有其獨特的教育價值和功能,在教學中重視物理圖像的教學功能,有利于辯證性地發散和集中學生的思維,培養學生創造性思維,提升學生的學習能力.

1 陶洪.物理實驗論［M］.南寧:廣西教育出版社,1999:1－2.

2 吳齊全.淺析用圖像法處理實驗數據［J］.物理實驗,2006(3):30－33.