摘? 要：圖形、圖像語(yǔ)言是物理學(xué)科常用的一種語(yǔ)言。借助一幅圖可以減少文字描述，把物理問(wèn)題陳述得更清楚，給人以簡(jiǎn)潔的美。學(xué)生的物理作圖水平，是反映其物理素養(yǎng)水平的重要標(biāo)志之一。強(qiáng)化作圖訓(xùn)練，能有效培育學(xué)生的物理素養(yǎng)。文章通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生作運(yùn)動(dòng)情境圖、受力矢量圖、函數(shù)關(guān)系圖和實(shí)物裝置圖，談如何通過(guò)強(qiáng)化作圖訓(xùn)練來(lái)提升高中學(xué)生的物理素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理;作圖;素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）12-0007-4

在高中物理核心素養(yǎng)的“科學(xué)思維”維度中，要求學(xué)生“能用相關(guān)的證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)”;在“科學(xué)探究”維度中，要求學(xué)生“能撰寫有一定要求的實(shí)驗(yàn)報(bào)告”[1]。這都需要學(xué)生通過(guò)物理課程的學(xué)習(xí)，掌握物理問(wèn)題的科學(xué)表述方法。物理問(wèn)題的表述僅靠文字語(yǔ)言和代數(shù)語(yǔ)言的表述是不夠的，常常還需要圖形語(yǔ)言或圖像語(yǔ)言來(lái)有機(jī)配合。有時(shí)借助一幅圖可以大大減少文字的描述，把問(wèn)題陳述得更加清楚，給人以簡(jiǎn)潔的美。從學(xué)生表述物理問(wèn)題所作的圖形中，可以折射出他們的物理素養(yǎng)。因此，強(qiáng)化作圖訓(xùn)練可以有效培育學(xué)生的物理素養(yǎng)，在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)引起教師的高度重視。下面從四個(gè)方面談?wù)劰P者的具體做法，與同行們共商榷。

1? ? 作運(yùn)動(dòng)情境圖，培育時(shí)空思維素養(yǎng)

物體運(yùn)動(dòng)必然涉及運(yùn)動(dòng)的位移和時(shí)間。對(duì)于稍難的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，其運(yùn)動(dòng)的位移或軌跡不太容易確定各階段的關(guān)系，而是需要通過(guò)作圖來(lái)建立運(yùn)動(dòng)空間模型，呈現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)的軌跡，從而找到各階段位移之間的關(guān)系。同樣，運(yùn)動(dòng)各階段的時(shí)間關(guān)系有時(shí)也不容易確定，在處理較為復(fù)雜的時(shí)間關(guān)系時(shí)，并不是簡(jiǎn)單地把時(shí)間進(jìn)行加減，也需要通過(guò)作圖來(lái)構(gòu)建適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)時(shí)間模型，以找準(zhǔn)時(shí)間關(guān)系。

例1 圖1是高速公路上使用的超聲波測(cè)速儀示意圖。測(cè)速儀發(fā)出并接收超聲波脈沖信號(hào)，根據(jù)發(fā)出和接收到的信號(hào)的時(shí)間差，可測(cè)出汽車的速度。圖2中p1、p2是測(cè)速儀發(fā)出的信號(hào)，n1、n2分別是p1、p2經(jīng)車反射回來(lái)的信號(hào)。已知p1、p2之間的時(shí)間間隔T=1.0 s，超聲波在空氣中的傳播速度v=340 m/s。若汽車勻速行駛，其行駛的速度是多少？

這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，但容易出錯(cuò)。學(xué)生需要將生活情境轉(zhuǎn)化成物理過(guò)程，解決兩個(gè)問(wèn)題：一是汽車連續(xù)兩次遇到超聲波的時(shí)間內(nèi)所行駛的距離Δs;二是汽車連續(xù)兩次遇到超聲波的時(shí)間間隔Δt[2]。

對(duì)于求Δs的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生畫出圖3所示的位置關(guān)系圖，建立運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系圖，容易得到：

對(duì)于學(xué)生最困惑的Δt問(wèn)題，同樣可以引導(dǎo)學(xué)生畫出圖4所示的時(shí)間關(guān)系圖（時(shí)間軸），建立時(shí)間模型，從時(shí)間軸得到：

Δt=T+■-■

最后得到汽車行駛的速度：

v=■=■ m/s=17.9 m/s

這是體現(xiàn)能力立意和素養(yǎng)立意的命題理念的一道運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，單從物理知識(shí)上講只涉及初中所學(xué)知識(shí)，但對(duì)思維能力和學(xué)科素養(yǎng)的要求較高。通過(guò)正確的作圖，展示運(yùn)動(dòng)的圖景，建立運(yùn)動(dòng)的空間模型和時(shí)間模型，能打開學(xué)生的思維，使復(fù)雜、抽象的過(guò)程簡(jiǎn)單、明了。

2? ? 作受力矢量圖，培育圖形分析素養(yǎng)

一幅研究對(duì)象的受力圖，所展示的是學(xué)生的相互作用觀和綜合分析的素養(yǎng)水平。如圖5所示的甲、乙兩幅圖，都是畫一根均質(zhì)桿放置在光滑半球形碗中處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的受力圖，都能正確表示桿所受三個(gè)力的作用點(diǎn)和方向，但可以明顯看出作出乙圖的學(xué)生的物理素養(yǎng)要比作出甲圖的學(xué)生高出許多。因?yàn)橐覉D還定性表示出三力大小的大致關(guān)系，更深層次的是他還體現(xiàn)出一個(gè)物體在受三個(gè)非平行力而平衡時(shí)，這三個(gè)力一定共點(diǎn)這樣的物理規(guī)律。乙圖恰當(dāng)?shù)赝ㄟ^(guò)調(diào)整桿的長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到這一目的，這充分折射出學(xué)生在畫此受力圖時(shí)的內(nèi)心思維狀態(tài)和他的物理功底。

高一物理教學(xué)不僅要規(guī)范學(xué)生的作圖，而且要指導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行作圖，促使學(xué)生逐漸養(yǎng)成規(guī)范、準(zhǔn)確作圖的習(xí)慣。有些物理問(wèn)題，如果作圖不規(guī)范會(huì)導(dǎo)致分析出差錯(cuò)。

例2 圖6所示的內(nèi)表面及碗口均光滑的半球形碗，一根細(xì)線跨在碗口上，線的兩端分別系有質(zhì)量為m1和m2的小球，當(dāng)它們處于平衡狀態(tài)時(shí)，質(zhì)量為m1的小球與球心O點(diǎn)的連線與水平線的夾角α=60°。求兩小球的質(zhì)量比。

這道全國(guó)高考試題，相當(dāng)多的學(xué)生由于不規(guī)范作圖，只畫一個(gè)分力，而且只想到垂直分解，畫的是如圖7甲所示的殘缺受力圖，從而得出錯(cuò)誤關(guān)系式m2g=m1gcos30°。學(xué)生如能完整、規(guī)范地作出如圖7乙所示的受力圖，就容易得到正確的關(guān)系式m1g=2m2gcos30°[2]。

例3 如圖8所示，半徑為R的豎直固定的光滑大圓環(huán)上，套著一只質(zhì)量為m的空心小球。一根勁度系數(shù)為k、自然長(zhǎng)度為L(zhǎng)0的輕彈簧，一端系在圓環(huán)最高點(diǎn)，另一端系住小球。當(dāng)小球靜止時(shí)，求彈簧與豎直方向的夾角的余弦。

這個(gè)問(wèn)題也需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)小球進(jìn)行受力分析，正確作出重力G、彈簧的彈力F和圓環(huán)對(duì)小球的支持力N。根據(jù)小球處于靜止?fàn)顟B(tài)，這三個(gè)力的合力應(yīng)為零，作出圖9所示的矢量關(guān)系圖。

由于規(guī)范、準(zhǔn)確的作圖，才容易看出：力的矢量三角形與相關(guān)的幾何三角形相似，有■=■，而OA=R，AB=2Rcosθ，得到彈簧彈力F = 2mgcosθ。再根據(jù)胡克定律有F = k （2Rcosθ-L0），聯(lián)立上述方程解得cosθ=■。

這里如果沒(méi)有準(zhǔn)確、規(guī)范、認(rèn)真的作圖，就不會(huì)發(fā)現(xiàn)這里力矢量三角形與幾何三角形相似，也自然不會(huì)想到運(yùn)用三角形的相似比進(jìn)行求解。教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)生充分明白規(guī)范作圖的意義，明白作圖也是自己物理素養(yǎng)水平展示的一個(gè)窗口，常備隨手可取的作圖工具，如圓規(guī)、三角板、硬幣等物品，以便快速、準(zhǔn)確作圖。

3? ? 作函數(shù)關(guān)系圖，培育圖像運(yùn)用素養(yǎng)

圖像是物理學(xué)的一種重要語(yǔ)言，它可以準(zhǔn)確表述兩物理量之間的關(guān)系。對(duì)圖像語(yǔ)言的掌握及運(yùn)用水平，也是學(xué)生物理素養(yǎng)的重要表現(xiàn)。要學(xué)好高中物理，就得努力提升物理圖像語(yǔ)言的運(yùn)用水平，這對(duì)解決物理問(wèn)題大有裨益。高中物理教學(xué)應(yīng)注重指導(dǎo)學(xué)生作物理量之間的關(guān)系圖像，并引導(dǎo)學(xué)生在分析問(wèn)題、解決問(wèn)題中加以運(yùn)用，以培育學(xué)生的物理素養(yǎng)。

例4 由三塊相同長(zhǎng)度的光滑鋼片構(gòu)成三條軌道，上端離地面的高度相同，鋼片a構(gòu)成斜面，鋼片b構(gòu)成凸面，鋼片c構(gòu)成凹面，如圖10所示。小滑塊分別從三條軌道的頂端由靜止開始下滑，試比較其下滑的時(shí)間。

面對(duì)這樣一個(gè)變加速下滑的復(fù)雜問(wèn)題，如果引導(dǎo)學(xué)生作速率-時(shí)間圖像進(jìn)行分析，還是比較容易作出判斷的。這里需要抓住三點(diǎn)：一是由機(jī)械能守恒可知三次下滑到地面的速率相同;二是速率-時(shí)間圖像所圍的面積表示路程;三是從軌跡切線的角度變化分析加速度大小的變化。這樣就可以引導(dǎo)學(xué)生作出圖11所示的速率-時(shí)間圖像，得到tb>ta>tc。通過(guò)這樣的圖像展開分析，就能很好地反映學(xué)生較高水平的物理素養(yǎng)。

例5 有兩只電阻R1和R2，它們的伏安特性曲線分別為圖12中的a和b?，F(xiàn)將它們串聯(lián)后，接在電動(dòng)勢(shì)E=4.0 V、內(nèi)電阻r= 1.0 Ω的電源兩端，試求出此時(shí)兩只電阻分別所消耗的電功率P1和P2。

雖然這道題需要的知識(shí)基礎(chǔ)不高，都是高中學(xué)生所具備的，但要解答本題卻需要較高的物理素養(yǎng)水平。首先，根據(jù)串聯(lián)電路電流處處相等，R1、R2串聯(lián)后的等效總電阻R兩端的電壓應(yīng)是U=U1+U2，這樣就可以在同一坐標(biāo)上由兩電阻的伏安特性曲線“相加”作出等效電阻的伏安特性曲線，如圖13中的曲線c所示。

然后，在該坐標(biāo)中作出電源的伏安特性曲線（如圖線d），電源的伏安特性曲線與總電阻的伏安特性曲線相交點(diǎn)P，就是總電阻接在該電源兩端時(shí)的“工作點(diǎn)”，從圖像中讀出Ip=1.65 A處兩只電阻的伏安特性曲線上相應(yīng)的電壓值Ua=1.50 V，Ub=0.80 V，計(jì)算得到它們的電功率Pa=2.48 W，Pb=1.32 W[3]。

學(xué)生經(jīng)歷這樣的分析過(guò)程，不只是學(xué)會(huì)運(yùn)用圖像來(lái)描述兩個(gè)物理量之間的關(guān)系，而是學(xué)會(huì)運(yùn)用圖像分析、解決具體的物理問(wèn)題，有效促進(jìn)學(xué)生物理素養(yǎng)的提升。

4? ? 作實(shí)物裝置圖，培育空間想象素養(yǎng)

高中物理所涉及的問(wèn)題多是源于生產(chǎn)生活實(shí)際，實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化構(gòu)建出中學(xué)生能夠分析解決的理想模型。對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，如果沒(méi)有作出相應(yīng)的裝置圖，僅憑大腦思考，會(huì)給大腦增加很大的思維負(fù)擔(dān)，且容易出錯(cuò)。如果畫出與實(shí)際裝置特點(diǎn)相一致的圖形，把實(shí)際情境呈現(xiàn)在眼前，不僅可以減輕空間想象的壓力，提升空間想象的素養(yǎng)，而且對(duì)分析該裝置所涉及的物理問(wèn)題是非常有益的。

例如，現(xiàn)實(shí)生活中有許多由桿、繩組成的承重裝置，但不同的裝置有著本質(zhì)的區(qū)別，如果作裝置圖時(shí)不加以認(rèn)真考慮，會(huì)對(duì)問(wèn)題的分析帶來(lái)極大的影響。圖14所畫的三種輕桿、輕繩結(jié)構(gòu)裝置圖，外觀相似，卻有本質(zhì)的區(qū)別。

如果斜拉繩與懸掛物塊的豎直繩屬于同一根繩，桿的末端又是光滑的，此時(shí)桿起著定滑輪的作用，而定滑輪只改變力的方向，不改變力的大小，可見斜拉繩和豎直繩的拉力大小都等于物塊的重力。那么，兩繩拉力的合力就一定不會(huì)沿桿。如果桿呈水平狀態(tài)，那么這根輕桿就只能是插入墻體或采取其他辦法固定才可能保持平衡，其裝置圖最好是畫成圖14甲所示的結(jié)構(gòu);如果桿是靠鉸鏈固定在墻面，那么這根輕桿的軸線就只能是處在兩繩拉力的合力作用線上方可保持平衡，其裝置圖就應(yīng)畫成圖14乙所示的結(jié)構(gòu);對(duì)于圖14丙，其斜拉繩與懸掛物塊的豎直繩就不屬于同一根繩，而是兩根都系在桿B端的繩子，這兩根繩的拉力不相等。若丙圖桿的A端也是通過(guò)鉸鏈固定在墻面上，那么兩繩拉力的合力方向一定沿著水平桿。

因此，一幅裝置圖也能較好地反映出學(xué)生的物理素養(yǎng)水平。在指導(dǎo)學(xué)生作這些裝置圖的教學(xué)中，教師應(yīng)該指導(dǎo)到位，讓學(xué)生明白其中的道理，理解作圖細(xì)微區(qū)別的深刻含義。

在物理習(xí)題教學(xué)中，物理習(xí)題的求解過(guò)程離不開作圖，圖形和圖像是實(shí)際問(wèn)題與物理規(guī)律之間的解題思維橋梁。因此，高中物理教學(xué)應(yīng)該從高一起始年級(jí)開始，強(qiáng)化學(xué)生的作圖訓(xùn)練，通過(guò)作圖培育學(xué)生的物理素養(yǎng)。

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）