物理教學(xué)中圖像解析法運(yùn)用點(diǎn)滴

吳天琴

摘 要： 本文以一道電學(xué)物理題為例，利用繪圖軟件制作U-I圖、電路圖、局部放大圖，把兩個(gè)抽象的問題運(yùn)用圖像解析法進(jìn)行展示，甚至突出過程的細(xì)節(jié)部分，能相對(duì)準(zhǔn)確地表現(xiàn)圖像中的點(diǎn)、線、面、形情景，從而簡(jiǎn)化問題路徑，直擊教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 物理教學(xué) 圖像解析法 分析過程

圖像解析法由于其直觀、形象，使得一些抽象、深?yuàn)W的物理概念變得簡(jiǎn)潔明了，在物理課堂教學(xué)中易于學(xué)生理解。而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)由于受到多媒體技術(shù)條件的限制，圖像解析多為手繪草圖，如電路圖、受力圖等的繪制，能方便快捷地表達(dá)出一些物理概念、甚至是物理規(guī)律的內(nèi)在含義，給學(xué)生留下深刻的印象。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，繪圖軟件品質(zhì)的提升，更能精確地表達(dá)出圖像中的點(diǎn)、線、面、形，還可以由一維到二維、三維的動(dòng)畫擬景展示，要靜有靜，要?jiǎng)佑袆?dòng)，需要時(shí)反復(fù)回放既能加深學(xué)生理解，促進(jìn)記憶，又省時(shí)省力?？芍^事半功倍，教學(xué)有效性不言而喻，同時(shí)對(duì)教師的多媒體技術(shù)的學(xué)習(xí)掌握提出了更高要求。在此，以物理教學(xué)的一道電學(xué)題為例，分析研究它的圖像解析法的獨(dú)特效用。

1.題例

題如圖1所示，某一半導(dǎo)體器件的U-I圖，將該器件與標(biāo)有“9V，18W”的用電器串聯(lián)后接入電動(dòng)勢(shì)為12V的電源兩端，用電器恰能正常工作，此時(shí)電源的輸出功率是多少W？若將該器件與一個(gè)阻值為Ω的電阻串聯(lián)后接在此電源兩端，則該器件消耗的電功率約為多少W？

從題例來(lái)說(shuō)是一種屬于實(shí)驗(yàn)類的填空題，因?yàn)榭疾榈闹R(shí)點(diǎn)較多，已知條件太少，學(xué)生遇到此題時(shí)一般無(wú)法通過常規(guī)的解析法順利解題，是恒定電流教學(xué)中的偏題、怪題。因此，教師在教學(xué)過程中，必須引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換思維，另辟蹊徑。

2.分析

2.1第一問分析過程

首先，找突破口。用電器（9V，18W）恰能正常工作說(shuō)明其工作電壓、電流和功率均為額定值，由額定功率與額定電壓的比值可知通過用電器的電流為2A。這個(gè)電流值是流過用電器的正常工作電流，亦是流過半導(dǎo)體器件和電源的當(dāng)前電流值，是解決第一問的突破口。

其次，簡(jiǎn)化問題。就是利用圖像解析法，看圖找電壓。從半導(dǎo)體器件的圖像趨勢(shì)可以看出，隨著電壓電流的增加，半導(dǎo)體器件的電阻隨之增加。由于半導(dǎo)體器件與用電器串聯(lián)，串聯(lián)電路電流處處相等，流過半導(dǎo)體器件的電流也為2A，觀察U-I圖像的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，如圖2所示，能夠輕易地看出橫坐標(biāo)2A處對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)電壓值為1V，根據(jù)歐姆定律R=■，計(jì)算得出此時(shí)半導(dǎo)體器件的電阻為0.5歐姆。

最后，聯(lián)想知結(jié)構(gòu)。依據(jù)題意將半導(dǎo)體器件（1V，2A）、用電器（9V，18W）和電源（12V，內(nèi)阻未知）串聯(lián)構(gòu)成閉合電路，繪制成半導(dǎo)體與電阻串聯(lián)電路圖，如圖4所示。在圖4中運(yùn)用閉合電路歐姆定律和串聯(lián)電路電壓、電流、功率等相關(guān)規(guī)律計(jì)算出電源路端電壓U=10V，計(jì)算出電源輸出功率P=UI=20W，亦能由閉合電路歐姆定律公式E=U+Ir計(jì)算出電源內(nèi)阻為1歐姆，以備后用。

可見，運(yùn)用圖像解析法，將圖像有序呈現(xiàn)給學(xué)生，識(shí)圖順序是在圖1中觀察橫軸縱軸的標(biāo)度，找到電流2A對(duì)應(yīng)的電壓值1V（圖2），在圖2中做上標(biāo)記，將圖2中的重點(diǎn)讀圖處即（2A，1V）對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)放大處理形成局部放大顯示圖（圖3），突出顯示引領(lǐng)學(xué)生正確思考，攻克計(jì)算此題的突破口，即為與用電器串聯(lián)的且用電器恰好正常工作時(shí)半導(dǎo)體器件表現(xiàn)的電壓、電流、電阻值。

解題的思維過程通過一幅幅圖像衍變，在圖像中可以一目了然地感受物理邏輯思維的轉(zhuǎn)移過程，有效地將思維形象化。

2.2第二問分析過程

教師針對(duì)第二問精心設(shè)計(jì)一系列疑問啟發(fā)學(xué)生思考，比如現(xiàn)在將用電器換成了一個(gè)阻值為Ω的電阻與半導(dǎo)體器件串聯(lián)后接在此電源兩端，那么此時(shí)半導(dǎo)體器件的電阻表現(xiàn)如何呢？半導(dǎo)體器件兩端的電壓和通過的電流是多少呢？閉合電路歐姆定律公式、功率公式怎樣運(yùn)用呢？學(xué)生帶著這些疑問思考，在圖像法的思維引領(lǐng)下將會(huì)出現(xiàn)以下兩種解法。

一是等效內(nèi)阻圖像法：

外接電阻有兩個(gè)，一個(gè)是未知電阻的半導(dǎo)體器件，二個(gè)是已知阻值Ω的電阻，這兩個(gè)電阻是串聯(lián)后接在電源（12V，1Ω）兩端，此時(shí)如果將已知阻值Ω的電阻歸于電源內(nèi)阻，使得電源內(nèi)阻變?yōu)棣福娫措妱?dòng)勢(shì)不變?nèi)詾?2V，等效于構(gòu)建了一個(gè)新的電源。然后新的電源與未知的半導(dǎo)體器件構(gòu)成新的電路，路端電壓隨電流變化的函數(shù)關(guān)系式為U=E-Ir，將E=12V和r=Ω代入，很容易確立新電源的路端電壓隨電流變化的關(guān)系式為U=12-I，在圖1中繪制出新電源的路端電壓與電流的關(guān)系圖線，為一條向右下方傾斜的直線，如圖5所示，兩個(gè)圖像有一個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)的意義在于此時(shí)的電源與半導(dǎo)體器件串聯(lián)時(shí)，半導(dǎo)體器件兩端的電壓、流過的電流和其電阻值。顯而易見，從圖5中觀察圖像交點(diǎn)，讀出電壓為5V，電流為3A，根據(jù)功率公式可以計(jì)算出半導(dǎo)體器件的電功率為15W。

二是動(dòng)態(tài)求和圖像法：

由于外接電阻中一個(gè)是已知阻值Ω歐姆的電阻，繪制出這個(gè)電阻的U-I圖像，如圖6所示，與半導(dǎo)體器件的U-I圖在同一幅圖中，由于串聯(lián)電流處處相等的關(guān)系，應(yīng)該在圖中動(dòng)態(tài)地尋找一個(gè)電流值對(duì)應(yīng)的兩幅圖像的交點(diǎn)即電壓值，使得在同一個(gè)電流值的前提下將定值電阻、半導(dǎo)體器件和電源內(nèi)阻兩端的電壓加起來(lái)的總和為電源電動(dòng)勢(shì)12V。這種情況下要嘗試在橫軸上尋找一個(gè)電流值，通過圖像觀察對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電壓值，再通過計(jì)算相應(yīng)電流下的內(nèi)阻上的電壓，比較三者之和的情況，可能大于、等于、小于電動(dòng)勢(shì)。從中選擇等于電動(dòng)勢(shì)的那個(gè)電流值，從而根據(jù)功率公式計(jì)算出此種狀態(tài)下的半導(dǎo)體器件的功率。

教學(xué)有法，但無(wú)定法。圖像教學(xué)法只是眾多物理教學(xué)法的一種。什么時(shí)候使用，用得恰到好處，這是物理教學(xué)實(shí)踐中業(yè)務(wù)素質(zhì)的長(zhǎng)期積淀過程，也是對(duì)多媒體技術(shù)學(xué)習(xí)掌握，應(yīng)用于物理教學(xué)能力的考量。作為物理教育教學(xué)工作者，在千變?nèi)f化的物理現(xiàn)象面前，我們要學(xué)會(huì)抽絲剝繭，善于發(fā)現(xiàn)，在發(fā)現(xiàn)中獲得快樂，在快樂中傳授物理知識(shí)，在傳授物理知識(shí)中傳遞物理文化。