图象在物理学中的应用探究

摘 要：物理学中的图象具有描述物理状态、过程、规律的特点，也是解决物理问题的常用方法。利用图象，可以直观、简洁地展示物理量的关系，也为推导和求解物理问题，得出物理结论提供了参照。如何更好地发挥图象法的作用，现就此进行探讨。

关键词：高中物理；图象；应用策略

在高考物理中，图象的应用较多，也是考查学生读图、识图、用图能力的重点。随着课改的推进，结合高中物理探析图象的应用方法，从图象分析中提高学生的物理知识、物理规律的学习能力，增强学生物理量的辨析，解决物理学问题。

一、 认识物理图象，确立图象法教学地位

从概念来看，物理学中的图象主要是由图形来表征物理现象，相较于文字和符号，更具有直观性、形象化特点。在图象应用中，有实物图形、物理示意图、物理函数图象及图表等形式，这些图象能够实现抽象物理概念的形象化表征，并从图象中传递不同物理量之间的数量关系。如受力分析图、矢量合成与分解图，物理函数图象则以数学函数表达式为基础，来展现不同物理量之间的变化关系。对于物理学中的图象，在学习中要明确教学重点，要让学生能够识图、用图、作图。识图时，要看六点，即轴、点、图线、面积、斜率、截距等。所谓的“轴”，就是图象中的横轴、纵轴代表哪些物理量；所谓“点”，就是分析图象中某点所代表的物理量及状态，如时刻、位置等信息；当然，也包括交点、极值点、拐点等所代表的物理意义。所谓“图线”，主要是从物理量之间的变化关系来分析规律；所谓“面积”主要是分析物理图象中图线与坐标轴所围成的面积值，代表某一物理量的大小。所谓“斜率”就是说分析两个物理量之间的比值大小，来反映另一物理量。由此，确立图象教学的地位，通过图象分析，来概括物理信息，标记物理变化。如运动学中的位移-时间图象（x-t），振动图象（y-t），力学中的加速度与力图象（a-F）、力与速度图象（F-v），电磁学中的场强与位置图象（E-x），磁感应强度与时间图象（B-t）等。

二、 把握图象分析方法，探究物理量间的变化关系

结合高中物理考查的重点，图象法教学主要体现在两点，一点是对物理状态示意图或物理函数图象进行分析，得出物理规律，另一点是结合物理图象解决物理问题。由于物理学中一些概念、变量本身具有抽象性，在学习时教师可以利用图象法来进行转换，增强学生数形结合科学思维能力。当然，面对图象，如何来进行分析，并解决相关物理问题？我们以匀加速直线运动为例，来探究物理学中的图象及其应用。根据匀加速直线运动的特点，其函数图象如图1所示。

图1 匀加速直线运动函数关系图

图2 电动势与内电阻的关系图

在图象法解析时，首先要关注物理量之间的函数关系，从图1中来看，匀加速的加速度不变，初速度为v0，加速度为a，且为常量，根据其速度与时间的关系式：v=v0+at。也就是说，根据图1，横坐标代表时间，纵坐标代表速度，两者的函数关系表示为匀加速直线运动。由此，我们结合图象，来判断匀加速直线运动中的物理状态，并可以得到某一时刻下物理量之间的变化关系。利用图象来反应物理量周期性变化的规律或趋势，从而为我们深刻理解匀加速直线运动提供了数学表征。当然，函数图象在表征物理量周期性变化时，还有二次函数图象、正反比例函数图象，如描述简谐振动的图象、波动图象等。围绕物理实验，常常利用绘制图象等方式，来反映物理量数据间的关系。如“小车速度随时间变化的规律”“测绘小灯泡伏安特性曲线”等实验中，结合实验过程，测量相关物理量，并进行实验数据的统计与分析，得出物理规律，绘制实验图象，提升物理教学科学性。为了测量某干电池的电动势、内电阻及两者的关系，我们选用电流表（0.6 A，0.1 Ω）、电压表（3 V，1000 Ω），根據实验得出六组数据，其结果如图2所示。

根据U-I函数关系图示，在实验中对错误数据0.4进行剔除，来确保实验的准确性。可见，图象法在物理学中的应用，可以直观地反映物理量、物理概念、物理规律，有效解决物理问题。

三、 提炼物理图象关键点，解决物理问题

运用物理图象，提炼相应的物理信息，从中来解决不同的物理问题。如某题中，在平面坐标系中分别绘制两条v-t直线，两者相较于t1时刻，根据图象来判断下列四种说法。如图3所示。

图3 两个物体的速度与时间变化关系图

从图3来看，显示了两种物体不同的速度变化规律。其中直线①的初速度小于直线②，但根据斜率关系，斜率反映了两种物体的加速度大小关系，直线①的加速度要大于直线②。从直线①与直线②相交于t1，可以得出在t1时刻，两个物体的速度相等。由此，在进行图象分析时，要能够从图象描述中分析数学表达式的关系，抓住图象题的解题关键点，以物理过程来直观呈现不同物理量之间的动态变化。再如图4所示，两个斜面均是光滑的，且总长度相等，高度相同，两球均静止下落，假设在转折处无能量损失，问那个球先滑到底部？对该题进行分析，因高度相等，斜面光滑，根据机械能守恒，两球到底端时速度相等。但根据斜面长度相等，b球在A′C段加速度大于a球，在CB′段，加速度小于a球，下滑路程相等；根据v-t图象给出的斜率变化，代表其加速度的大小，而图象面积代表位移变化。

图4 两光滑斜面下的运动图象

如此，我们可以根据两球的v-t图象，得到tb

四、 结语

图象是高中物理学中的重要内容，也是高考必考点之一。利用图象法来解决物理问题，要引导学生从图象中识别不同的物理量，以及相互关系，正确辨别物理量的变化，结合图象轨迹来探究物理过程，把握物理状态。当然，图象法的运用，教师还要引导学生多总结、多探究，抓住图象中的关键信息，运用物理知识、规律来解决问题。总之，高中物理学中的图象对于理解物理现象、解决物理问题具有重要意义，教师要联系教学活动，充分发挥图象教学的优越性，让学生从图象分析、图象绘制、图象应用中，培养物理探究精神，拓展图象思维，培养物理素养。

参考文献：

[1]曹炜航.应用于高中物理“图象法”解题中的图象斜率探析[J].中国新通信，2017，19（1）：136.

[2]吴承澳.高中物理解题中图象法的应用[J].中学课程辅导（教师通讯），2017（18）：33.

作者简介：

占伟，福建省莆田市，莆田第六中学。