基于图像实现物理探究式教学

1基于图像实现物理探究式教学摘要：高中物理知识的描述方式有文字法、公式法、图象法，它们从多个侧面观察、研究同一物理现象或规律，同时又互相补充，互相完善。然而图象描述要比枯燥的文字、公式更容易理解，但难以掌握，因为高中物理图象是通过应用物理的方法从实物、从实验中抽象出来的或是应用数学手段总结出来的。因此，在新课程物理课堂教学中如何突出图象作用，挖掘图象功能，大力培养学生思维能力就是值得我们当前新课程研究的一个重要课题。本文拟从课堂实践谈几点有关图象教学的想法与做法，促使教师注重图象教学，强化学生的能力培养。关键字：图像法；新课程；图像功能；思维能力；图像教学；能力培养1.引言在进行教学时，要开创学生进行自主探究的教育模式，放手让学生自主探究知识，使他们在自主探究过程中真正掌握知识、活跃思想和改进学习方法。随着教改的深化，高中物理教学大纲、教材都相对降低了要求，然而在教学过程中仍旧存在一个问题----初高中物理知识的衔接。在探究教学中，教师是引导者，基本任务是启发诱导，学生是探究者，其主要任务是通过自己的探究，发现新事物。学生普遍反应，在初中学习物理只需花很少的时间，上课听讲、课后完成作业，知识基本上就掌握了。而高中物理所用的时间多，上课听讲、认真的看书，课后还是不会做作业。产生这种现象的原因主要有两点：一是初中物理知识简单，直观形象，都来源于生活。高中物理知识性强，有些规律要通过学生自己理解、总结，有些规律与生活中的现象相悖，着重学生各方面能力的培养。二是学生的年龄特征决定的，初中学生主要是培养形象思维，而高中学生必须由形象思维上升到抽象思维，提高思维深度。从教材看来，思维形式的提高也很明显。初中教材从具体的事物、具体的自然现象中总结规律；高中教材将具体的实物抽象为理想的模型，比如质点、点电荷。通过研究这些理想模型的运动来总结规律。为了学生能适应高中物理的学习，在高中教材里仍然附了很多实物和图像。物理图象是用来表示物理规律、反映物体运动过程、描述物体所处状态以及状态变化的一种重要的方法和手段，也是研究和学习物理的重要方法和手段。物理规律用数学表达出来后，实质是一个函数关系式，这个函数式还可以用图象描述，这样就将代数关系转变为几何关系，而几何关系往往具有直观、形象、简明的特点。因此，由图象处理物理问题可达到化难为易，化繁为简的目的。若将不同的研究对象的2运动规律或同一研究对象不同阶段的运动规律在同一坐标上的图象作出来，那么图象可比较的特点就彰显出来。因此，图象可以处理对象多、过程复杂的一些问题。更有一些用文字或公式很难表达清楚的物理规律、物理过程，也可以用图象直观、简明地表达出来。利用图象法解题，思路清晰，过程简捷。应用图象研究物理问题，有利于培养学生数形结合，形象思维，灵活处理物理问题的能力。2.物理图像的意义物理图象的最大优点是形象、直观。物理图象能够把抽象复杂的物理过程、现象和规律形象、直观的表示出来。如在研究物体运动问题时，画出物体运动过程的草图，就能很快地找出物体运动过程中的时空关系并列式求解。要应用物理图象分析、研究物理问题必须了解图象的物理意义.如振动的图象是描述某一振动物体在不同时刻离开平衡位置的位移,波的图象是描述某一时刻不同质点离开平衡位置的位移,速度图象是描述物体的速度随时间变化的规律.不同的图象描述的物理意义是不同的。因此在建立图象的同时就要清楚图像所描述的物理意义。对物理图象意义的理解不仅是图像本身，还可以从其他方面来理解。如图象与坐标的截距、图象的斜率、图象与坐标围成的面积等。只有真正搞清了图象描述的这些含义，才能灵活运用图象解决物理问题。①1、截距的意义截距是图线与两坐标轴的交点所代表的坐标数值，该数值具有一定的物理意义。如下右图为左图情景中拉力F与杆稳定时的速度v的关系图，图线在横轴上的截距表示杆所受到的阻力。电源的路端电压——电流图象的电压轴截距表示的是电源的电动势。2、斜率的物理意物理图象的斜率代表两个物理量增量的比值，其大小往往代表另一物理量值。如s—t图象的斜率为速度，v—t图象的斜率为加速度、U—I图象的斜率为负载的电阻等。当要比较两物体的速度和加速度时，作图象往往会有“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫”的感觉①。①汤葆华.高中物理图像问题教学.如图所示质量相同的木块A、B用轻弹簧相连，静止在光滑水平面上。弹簧处于自然状态。现用水平力F向右推A。则从开始推A到弹簧第一次被压缩到最短的过程中，下列说法中正确的是（）A．两物块速度相同时，加速度aA=aBB．两物块速度相同时，加速度aA＞aBC．两物块加速度相同时，速度BAvvD．两物块加速度相同时，速度BAvv解析：在F的作用下A向右运动，开始压缩弹簧，被压缩的弹簧会产生弹力分别推A和B。A的合力是F减去弹簧的弹力，而B的合力只有弹力。弹力是变力，随压缩量的增加而增大。所以，刚开始A是加速度减小的加速运动，B是加速度增加的加速运动。我们直接分析会觉得这个题目很难解，而且很容易出错。若我们把A、B的运动情况用v－t图象来表示，则答案就一目了然。它们的v－t图象如上图，在t2时A和B速度相等，但那一点切线的斜率B大A小，所以aA＜aB，A、B不正确，而当t=t1时，斜率一样，加速度相同，但BAvv，所以C正确，D不正确。3、图象中图线与坐标轴所围面积的物理意义有些物理图象的图线与横轴所围的面积的值，它常代表另一个物理量的大小。如v－t图中，图线与t轴所夹的面积代表位移，sF图象中图线与s轴所夹的面积代表功，tF图象中图线与t轴所夹的面积代表冲量，ti图象中图线与t轴所夹的面积代表电量，sv1图象中图线与s轴所夹的面积代表了时间等。用铁锤将一铁钉钉入木块，设木块对铁钉的阻力与铁钉钉入木块的深度成正比，在铁锤击打第一次时，能把铁钉打入木块内1cm，问打第二次时能打入多深？（设铁锤每次做功都相等）解析：因为阻力F=kx，以F为纵坐标，F方向上的位移x为横坐标，作出F4—x图象，如下图所示，函数线与x轴所夹阴影部分面积的值等于F对铁锤做的功。由于两次做功相等，故有12SS（面积）21212111()()22kxkxxxx及解得210.41xxxcm3．物理图像的应用3.1物理图像的教学功能物理图象的应用主要有两方面。一是通过图象研究物理规律；二是通过图象解决物理问题。在研究物理规律时，要通过实验得出数据，然后通过图象来得出所研究的物理量之间的关系。如在研究小灯泡的伏安特性时就是通过测出不同电压下的电流值，然后作图得出图象，最终得出它的伏安特性关系。在探究动能Ek与速度v关系时通过测出同一物体不同速度时的动能，然后作出Ek­—v图象或Ek­­—v2图象，这样就能找出动能与速度的定量关系。应用物理图象分析解决物理问题，关键是搞清图象所揭示的物理规律或物理量间的函数关系，全面系统地看懂图象中的“轴”、“线”、“点”、“斜率”、“面积”、“截距”等所表示的物理意义。所以要能看懂图像，要能从图象中获取有用的信息，并能从中得到必要的数据；还要会作图或对图象进行转换变形等。如从振动图象可得出质点振动的位移、振幅、周期，还可以从图象上知道不同时刻振动质点的速度大小和方向关系。从波的图象可以得出波长以及质点振动方向和下一时刻的波形等。有质点的振动和波动图象可算出波速，或有波的图象及传播方向可画出某一质点的振动图象等等。在运用图象法求解物理问题时，还需要具有将物理现象转化为图象问题的能力。运用图象解答物理问题包括运用题目给定的图象解答物理问题及独立根据题设去作图。有时题目未提供图像，要能画出所需的图象，这样可以帮助分析题意、找出关系，迅速解决问题。如在运动学中画出运动过程的草图，就可以找到物体运动的时空关系。在几何光学中准确画出光路图，就能找到Fkxkxoxxx12125角的数量关系。在解决带电粒子在磁场中运动问题中，画出了粒子运动的轨迹，题目也就解决了一半②。3.2图像运用于物理探究式教学的意义1、直观形象、简化解题过程：图像解法不仅思路清晰，而且直观、形象，使解题过程得到简化，起到比解析法更巧妙、更灵活的效果。例如在匀变比较速直线运动中的平均速度与中间位置的速度的大小关系，用图像法解题一目了然。2、演示变化过程，把握变化规律：用图像法来描述物理过程则更直观，可以描述出其变化的动态特征，帮助学生理解物理过程。例如在分析用挡板挡住光滑斜面上的小球，分析挡板由水平位置转到竖直位置的过程中，小球对挡板与斜面的作用力如何变化，可根据小球受三力作用平衡的条件：三力必构成一个封闭的矢量三角形。3、用于实验，简化数据处理方法：物理学习离不开物理实验，在物理实验中应用图像法进行数据处理，不仅具有简明。直观的特点，而且还可以减小误差、分析误差的原因。如测量电源电动势与内阻的实验，根据实验数据画出路端电压与电流的图像，为减小误差可从图线上任意取两点求出图线的斜率，斜率的绝对值即为电源内阻，而图线与纵坐标的截距即为电源的电动势。一种科学探究的基本方法：图像法在研究性学习中也有较大的应用。通过图像可以确定物理量之间的关系。如在研究“一定质量的气体在温度不变得情况下，压强与体积的关系”试验中，将数据采集器收集到的数据输送到图形计算器，输出P-V图线，得到的是一条曲线，输出P-1/V图线，得到一条直线，通过对图线的拟合，发现曲线与反比函数、直线与一次函数图线都能很好地吻合，由此可得一定质量的气体在温度不变的情况下，压强与体积成反比③。4.图像法实现物理探究式教学物理学是一门定量的精密科学,从对实验结果的分析﹑物理量的定义﹑规律的描述﹑理论的建立到解决实际问题,都离不开数学。数学语言是表述物理问题的最好方式,而图像语言是数学语言的最常用的表述方法之一。对于物理学而言,图像是以数形结合的形式,直观﹑形象地描述物理过程,展现物理规律的手段。尤②物理轩.物理图像的教学功能.③乔际平.物理学科教育学[M].北京:首都师大出版社,2000.89-92.6其是对那些动态的用文字白表达晦涩抽象的物理过程,用图像却可以一目了然,简明清晰地表述出来。以图像的表达方式呈现相关物理量的动态变化过程,让学生体验真实的探究过程,帮助学生实现探究思维的转变,为课堂收益创造良好的性价比已成为可能,并可以促进物理探究教学的有效实施④。4.1基于图象，优化信息，为探究思维的灵活应用创造条件物理图象是形象描述物理状态、过程和规律的常用工具，也是应用数学知识解决物理问题的一个重要方面。如探究正弦交变电流有效值时，原人教版的教材中只是以结论形式呈现，这样在传统的教学中，教师一般也只能告诉学生现成的结论。学生不能深刻理解有效值的概念，以至于应用过程中经常与电流平均值相混淆。若由图象获取并优化信息，可以启迪思维，触发灵感，学生会豁然开朗，并为拓宽探究思维的灵活应用创造条件。4.2基于图象，处理数据，为探究教学的有效实施铺路开道物理规律大多都是基于实验探究，对实验数据进行分析处理，而得出结论的。用图象处理数据是物理实验中的最常用探究方法之一，它不仅是分析探究结论的重要方法，而且可以预测未知，为解决探究问题铺路开道。例如单摆振动周期规律的探究教学中，对于单摆周期受到哪些因素影响的问题，学生一般会提出摆长、摆角和质量，对此可以利用控制变量法分别研究这三个因素对周期的影响。4.3基于图象，创设情境，为探究思维的有效激活提供载体图象能直观地显示相应的物理量之间的相互关系和变化规律，从图象人手创设情境，激活探究思维，有利于更透彻地理解物理过程，发现物理规律，更直观地透过事物的现象探究事物的本质。从图象出发，激活探究思维，又以图线为解决问题的突破口，得出定律后，还可利用图象创设情境，为探究思维进一步拓展创造时空⑤。5．关于我国高中新课程物理图象的几点印象5.1物理图象是新课程中的一种重要元素④赵文军.建图在物理教学中的应用[M].中学物理教学参考第29卷第5期.⑤马玉国.物理探究式教学的途径