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(gòu)物理模型、解決物理問題的重要手段。本文從識圖、用圖、構(gòu)圖三個方面來總結(jié)提煉借助物理圖像延伸科學(xué)思維的方法。

關(guān)鍵詞：物理圖像；科學(xué)思維；關(guān)鍵能力

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

高考中常見的物理圖像應(yīng)用一般分為兩種：一種是題目直接給出物理圖像，學(xué)生需要結(jié)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(xué)生自行繪制物理圖像來解決物理問題。本文將結(jié)合這兩種情況，從識圖、用圖、構(gòu)圖三個方面闡述培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效策略。

1"根據(jù)圖像分析物體運(yùn)動過程

例題"（2022年全國乙卷第20題）質(zhì)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(yùn)動，F(xiàn)與時間t的關(guān)系如圖所示。已知物塊與地面間的動摩擦因數(shù)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(nèi)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(guān)鍵在于捕捉圖像中給出的直接信息，如橫、縱坐標(biāo)的物理、單位、標(biāo)度的設(shè)置、圖像的斜率、截距以及與坐標(biāo)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(diǎn)及規(guī)律。為確保學(xué)生能夠正確識別圖像，就要求教師在教學(xué)過程中從教材出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識教材中用到的圖像工具，并有意識地培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用圖像解決實(shí)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，F(xiàn)1＝4N；3～6s時，F(xiàn)2＝－4N。間接信息為物塊受到的滑動摩擦力為Ff＝μmg＝2N。因?yàn)轭}中考查的問題都與速度有關(guān)，所以還要把力與運(yùn)動結(jié)合起來，轉(zhuǎn)化為動力學(xué)的問題，即0～3s內(nèi)物塊做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動，第3s開始做勻減速直線運(yùn)動。

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

1.2"應(yīng)用圖像特點(diǎn)，解決物理問題

通過分析圖像特點(diǎn)來推斷物塊的運(yùn)動過程，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)公式求出每個階段的物理量。這種常規(guī)方法對學(xué)生的計(jì)算及邏輯推理的能力要求較高，若學(xué)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(yùn)動，那么對后續(xù)運(yùn)動過程的分析很容易出現(xiàn)錯誤。這類圖像問題的分段分析，旨在考查學(xué)生的理解能力及推理論證能力。

1.3"建構(gòu)圖像模型，拓寬解題思路

在原圖的基礎(chǔ)上作出合力與時間的圖像，接著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)圖像模型，可快速完成對四個選項(xiàng)的判斷。

2"根據(jù)運(yùn)動情況，建構(gòu)物理圖像

例題"（2018年黑龍江省大慶實(shí)驗(yàn)中學(xué)高三得分訓(xùn)練二）如圖所示，M、N兩點(diǎn)處于同一水平面，O為M、N連線的中點(diǎn)，過O點(diǎn)的豎直線上固定一根絕緣光滑細(xì)桿，桿上A、B兩點(diǎn)關(guān)于O點(diǎn)對稱。第一種情況，在M、N兩點(diǎn)分別放置電荷量為＋Q和－Q的等量異種點(diǎn)電荷，套在桿上帶正電的小金屬環(huán)從A點(diǎn)無初速度釋放，運(yùn)動到B點(diǎn)；第二種情況，在M、N兩點(diǎn)分別放置電荷量為＋Q的等量同種點(diǎn)電荷，該金屬環(huán)仍從A點(diǎn)無初速度釋放，運(yùn)動到B點(diǎn)。則兩種情況中（""）。

A. 金屬環(huán)運(yùn)動到B點(diǎn)的速度第一種情況較大

B. 金屬環(huán)從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)所用的時間第一種情況較短

C. 金屬環(huán)從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)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(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)的過程中（不含A、B兩點(diǎn)），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(yuǎn)處為零勢能點(diǎn)，則該中垂線上的電勢都為0。帶正電的小金屬環(huán)從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)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(diǎn)開始做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動，其加速度為重力加速度，即自由落體運(yùn)動。在此過程中，重力勢能轉(zhuǎn)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(diǎn)分別指向A、B方向。根據(jù)對稱性，A、B兩點(diǎn)的電勢相等，從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)，重力勢能全部轉(zhuǎn)化為動能。因此，在兩種情況下，小金屬環(huán)運(yùn)動到B點(diǎn)的速度相等，選項(xiàng)A錯誤。

但在第二種情況中，小金屬環(huán)從A點(diǎn)運(yùn)動到O點(diǎn)的過程中受到向上的電場力，而從O點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)的過程中受到向下的電場力，因?yàn)榈紹點(diǎn)的速度與第一種情況一樣，故在到B點(diǎn)前，第二種情況的速度都比第一種情況的速度小，選項(xiàng)D正確。因此第二種情況的運(yùn)動時間比較長，選項(xiàng)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(diǎn)到O點(diǎn)，電場力做負(fù)功，動能與重力勢能之和減少；從O點(diǎn)到B點(diǎn)，電場力做正功，動能與重力勢能之和增加，選項(xiàng)C錯誤。

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

2.1"建構(gòu)圖像，簡化物理推理過程

借助運(yùn)動學(xué)中的v"-t圖像，學(xué)生可直觀地判斷運(yùn)動過程中的加速度、速度、位移的變化趨勢。假設(shè)A點(diǎn)在等量同種電荷中垂線電場強(qiáng)度最大處的下方。根據(jù)題中描述的兩種情況，以及小金屬環(huán)的受力特點(diǎn)，可畫出兩種情況的v"-t圖像（見圖3）。若A點(diǎn)在中垂線上電場強(qiáng)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(diǎn)：首先，在B點(diǎn)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(gòu)物理圖像的過程中，實(shí)際上也在對這兩種情況的受力和運(yùn)動情況進(jìn)行合理推導(dǎo)。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(yùn)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(xiàn)出物體的運(yùn)動過程，還能使學(xué)生在短時間內(nèi)建立正確的物理模型。［1］善于運(yùn)用物理圖像，挖掘圖像中的物理信息，將復(fù)雜的物理過程通過圖像的斜率、截距等具體參數(shù)進(jìn)行具象化，實(shí)現(xiàn)數(shù)與形的巧妙結(jié)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(yùn)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(jīng)過O點(diǎn)的時刻。經(jīng)過O點(diǎn)前，第二種情況的加速度比第一種情況??；過了O點(diǎn)，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(yùn)動的相關(guān)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(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

3"教學(xué)建議

3.1"圖像本質(zhì)優(yōu)先

解決所有圖像問題，都需要學(xué)生對圖像的基本性質(zhì)及特點(diǎn)有全面的理解，例如圖像的斜率、截距、與坐標(biāo)軸圍成的面積、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、正負(fù)代表的含義等。圖像問題一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的一個難點(diǎn)；因此，教師在安排教學(xué)任務(wù)時要循序漸進(jìn)，根據(jù)學(xué)生的具體學(xué)情及認(rèn)知特點(diǎn)來分散難點(diǎn)，有效完成圖像法的教學(xué)任務(wù)。只有對圖像基本性質(zhì)有一定的認(rèn)識，學(xué)生才能正確識別圖像中傳遞的信息。這就要求教師在進(jìn)行各個模塊的圖像教學(xué)時，要抓住圖像的本質(zhì)，為學(xué)生打好圖像法的基礎(chǔ)。

3.2"數(shù)形結(jié)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(cè)重于分析圖像中橫、縱坐標(biāo)之間所呈現(xiàn)的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。學(xué)生通過運(yùn)用這些函數(shù)關(guān)系中的斜率及截距等關(guān)鍵參數(shù)來解決物理問題。那么教師在進(jìn)行圖像教學(xué)時，可以設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)，將多種圖像綜合起來，把物理圖像中涉及的常見函數(shù)關(guān)系式整理成相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)知識模塊［2］，協(xié)助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識的系統(tǒng)化和能力的模塊化。

參考文獻(xiàn)

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

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