浅谈图像在高中物理学习中的作用

时间:2019-10-23 16:52 作者:金沙下注

  图像是表示物理规律的方法之一,它可以直观地反映某一物理量随另一物理量变化的函数关系,形象地描述物理规律。应用图像不仅可以直接求出或读出某些待求物理量,还可以用来验证某些物理规律,测定某些物理量,分析或解决某些复杂的物理过程、物理问题。本文从

  物理图像是科学表达的一种“语言”。物理图像可以描述物理规律、表达物理过程。它所描述的物理量之间的关系比文字描述、公式表达更直观、形象、全面。同时,物理图像法是分析某些物理问题、验证某些物理规律、处理某些物理实验数据的重要方法之一,具有方法所不能比拟的优势。

  物理新课程标准和2013年高考考试说明明确的提出了对图像的要求:根据物理问题的实际情况和所给条件,必要时学生能运用几何图形、函数图像进行表达、分析。

  “会看图、会读图”要全面系统地看懂物理图像中的“轴”、“线”、“点”、“斜率”、“面积”、“截距”等所表示的物理意义。对于物理图像中的“起点”、“终点”、“交点”、“极值点”、“拐点”,要重点对待,因为这些点常具有特殊的物理意义。

  例1.在检测某款电动车性能的某次实验中,质量为8×102㎏的电动车由静止开始沿平直公路行驶,达到的最大速度为15m/s,利用传感器测得此过程中不同时刻电动车的牵引力F与对应的速度v,并描绘出F—图像(图中AB、BO均为直线))。假设电动车行驶中所受的阻力恒定,求此过程中(1)电动车的额定功率;(2)电动车由静止开始运动,经过多长时间,速度达到2m/s?

  1、轴:看物理图像首先要弄清坐标系中,横轴、纵轴代表的物理含义,这代表此图像表示的是什么物理量的关系,此题中横轴为1/v,同时电动车从静止开始运动,因此按照车运动的物理过程此图应由A往B看,表示速度逐渐变大。纵轴便是牵引力,所以此图表示速度的倒数与牵引力之间的关系。

  2、点:图像上的特殊点往往有特殊的物理意义。例如此图的B点是一个重要的“拐点”,表示在此之前牵引力恒定,电动车做匀加速运动,在此之后牵引力逐渐减小,电动车做变加速运动。并且,“拐点”对应的速度对于分析车的运动情况有重要作用。又如此图中C点是速度的“极值点”,表示最大速度为15m/s,由此可以分析得到a=0,所以f=F=400N,也就分析出了车所受的摩擦力的情况。

  3、线:图像上的一段直线或曲线一般对应一段物理过程,给出了纵轴代表的物理量随横轴代表的物理量的变化过程。此题中AB段表示F=2000N恒定,则可分析出车做匀加速运动,而BC段表示牵引力逐渐减小,则可分析车做加速度逐渐减小的变加速运动,而CO的这段虚线这不是电动车的真实运动情况,只是表示BC段的延长线过原点。

  4、面:图像和坐标轴所围成的“面积”往往代表另一个物理量,看两轴代表的物理量的“面积”有无实际的物理意义,可以从物理公式分析,如x=vt , W=Fx I=Ft , Q=CU等,v-t,F-x,F-t,C-U图像中的“面积”分别表示位移,功,冲量,电荷量等。

  5、斜:即斜率,也往往有特殊的物理意义。中学常见的图线是直线的,即一次函数,但中学物理中有很多公式的相关物理量并不是线性关系,但进行加工处理,将公式中某部分整体当成新的变量后,将非一次函数变成了一次函数,将函数图像由曲线变化成了直线。因此,对于这类图像我们要学会用函数的思想分析物理图像。如此题中BC段的斜率就有特殊的物理意义。据P=Fv得F=P 1/v,对比数学正比例函数y=kx的BC段斜率表示电动车功率P,并且表明在BC段中电动车功率不变。则可借助C点的功率计算BC段功率P=Fv=6000W,接着就可推算出C点的速度vc=P/F=6000/2000 m/s=3m/s。所以电动车由静止开始运动,经过时间,速度达到2m/s。

  由此例可知“会看图、会读图”,从物理图像中读出相关信息,结合物理过程的分析,可以将物理问题解决。

  高中物理图像很多,物理图像是描述物理规律、表达物理过程最形象的语言,它有直观、形象、全面的特点。现将高中物理课本中出现的和部分常用的物理图像归纳如下表:

  某些类型的物理问题,如果利用图像解题可以使解题过程简化,思路更清晰,比解析法更巧妙、更灵活。还有些情况下,普通解析法可能无能为力,而用图像法可能使你豁然开朗。

  例2.一辆汽车在恒定的功率牵引下,在平直公路上由静止出发,经4min的时间行驶1.8km,则在4min末汽车的速度()

  解析:汽车在恒定功率下由静止启动是加速度越来越小的变加速运动,很难通过运动方程求瞬时速度,一般的方法是由动能定理求出动能、再求速度但这必须要知道牵引力、阻力所做的功。而现在这些条件都未知,但在恒定功率下,其4min内的平均速度,若按匀变速运动规律,汽车4 min末的速度恰为15 m/s,如图中图线②所示,而实际上汽车由于加速度变小是做变加速运动,如图线①所示.两图线所围面积相同,明显可以看出v2>v1,即4 min末即末速度一定小于15 m/s。正确选项是BD。

  如:在《研究匀变速直线运动的加速度》中用v-t图像来求加速度,在《描绘小灯泡的伏安特性曲线》中用U—I图像来研究小灯泡的电阻随温度变化的规律,在《测定电源的电动势和内电阻》中用U-I图像来求电源电动势和内电阻等。

  用图像法处理实验数据的优越性表现在:能形象直观地表达物理规律,有效地减少偶然误差对结果的影响,较方便地获得未经测量或无法直接测量的物理量数值。

  如:《探究加速度与合外力、质量的关系》、《探究弹力与弹簧伸长的关系》、《探究动能定理》《探究单摆的周期与摆长的关系》等,用实验法探究某两个物理量之间关系时,常用图像来处理其数据,根据图像的形状直观性来判断其关系,一般主要目的是让两坐标轴成线型关系,这样两物理量的关系就清楚了,若两个物理不成线型关系,但总可以通过数学变换转换成线型关系,如《研究单摆的周期和摆长的关系》时,本来周期T和摆长L不成线型关系,经转换后,周期的平方T2和L成线型关系。因此在探究性实验中用图像法来处理数据是研究两物理量的关系的一种重要手段。

  综上所述,图像作为一种能直观反映物理量之间关系的数学手段在物理学中使用十分的广泛,它能形象的表达物理规律,直观描述物理过程,鲜明的揭示出物理量之间的关系,所以物理图像成为物理学习、解题、物理实验的重要工具。充分发挥物理图像的作用就必须在加强理解物理图像的物理意义,掌握物理图像的基本应用上下功夫,做到会“看”、会“画”、会“用”,从而提高活用巧用物理图像解决物理问题能力。

  [3]管建祥.巧用“龟免赛跑”故事实现V—t图像有效教学[J].物理教学探讨,2011,(12):4