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以图为媒 培育高中学生物理素养

2020-01-07 14:02:10 物理教学探讨 2020年12期

摘? 要:圖形、图像语言是物理学科常用的一种语言。借助一幅图可以减少文字描述,把物理问题陈述得更清楚,给人以简洁的美。学生的物理作图水平,是反映其物理素养水平的重要标志之一。强化作图训练,能有效培育学生的物理素养。文章通过引导学生作运动情境图、受力矢量图、函数关系图和实物装置图,谈如何通过强化作图训练来提升高中学生的物理素养。

关键词:高中物理;作图;素养

中图分类号:G633.7 文献标识码:A ? ? 文章编号:1003-6148(2020)12-0007-4

在高中物理核心素养的“科学思维”维度中,要求学生“能用相关的证据表达自己的观点”;在“科学探究”维度中,要求学生“能撰写有一定要求的实验报告”[1]。这都需要学生通过物理课程的学习,掌握物理问题的科学表述方法。物理问题的表述仅靠文字语言和代数语言的表述是不够的,常常还需要图形语言或图像语言来有机配合。有时借助一幅图可以大大减少文字的描述,把问题陈述得更加清楚,给人以简洁的美。从学生表述物理问题所作的图形中,可以折射出他们的物理素养。因此,强化作图训练可以有效培育学生的物理素养,在中学物理教学中应引起教师的高度重视。下面从四个方面谈谈笔者的具体做法,与同行们共商榷。

1? ? 作运动情境图,培育时空思维素养

物体运动必然涉及运动的位移和时间。对于稍难的运动知识题,其运动的位移或轨迹不太容易确定各阶段的关系,而是需要通过作图来建立运动空间模型,呈现其运动的轨迹,从而找到各阶段位移之间的关系。同样,运动各阶段的时间关系有时也不容易确定,在处理较为复杂的时间关系时,并不是简单地把时间进行加减,也需要通过作图来构建适当的运动时间模型,以找准时间关系。

例1 图1是高速公路上使用的超声波测速仪示意图。测速仪发出并接收超声波脉冲信号,根据发出和接收到的信号的时间差,可测出汽车的速度。图2中p1、p2是测速仪发出的信号,n1、n2分别是p1、p2经车反射回来的信号。已知p1、p2之间的时间间隔T=1.0 s,超声波在空气中的传播速度v=340 m/s。若汽车匀速行驶,其行驶的速度是多少?

这个问题看似简单,但容易出错。学生需要将生活情境转化成物理过程,解决两个问题:一是汽车连续两次遇到超声波的时间内所行驶的距离Δs;二是汽车连续两次遇到超声波的时间间隔Δt[2]。

对于求Δs的问题,引导学生画出图3所示的位置关系图,建立运动模型,通过运动位置关系图,容易得到:

对于学生最困惑的Δt问题,同样可以引导学生画出图4所示的时间关系图(时间轴),建立时间模型,从时间轴得到:

Δt=T+■-■

最后得到汽车行驶的速度:

v=■=■ m/s=17.9 m/s

这是体现能力立意和素养立意的命题理念的一道运动知识题,单从物理常识上讲只涉及初中所学常识,但对思维能力和学科素养的要求较高。通过正确的作图,展示运动的图景,建立运动的空间模型和时间模型,能打开学生的思维,使复杂、抽象的过程简单、明了。

2? ? 作受力矢量图,培育图形分析素养

一幅研究对象的受力图,所展示的是学生的相互作用观和综合分析的素养水平。如图5所示的甲、乙两幅图,都是画一根均质杆放置在光滑半球形碗中处于静止状态时的受力图,都能正确表示杆所受三个力的作用点和方向,但可以明显看出作出乙图的学生的物理素养要比作出甲图的学生高出许多。因为乙图还定性表示出三力大小的大致关系,更深层次的是他还体现出一个物体在受三个非平行力而平衡时,这三个力一定共点这样的物理规律。乙图恰当地通过调整杆的长度来达到这一目的,这充分折射出学生在画此受力图时的内心思维状态和他的物理功底。

高一物理教学不仅要规范学生的作图,而且要引导学生如何进行作图,促使学生逐渐养成规范、准确作图的习惯。有些物理问题,如果作图不规范会导致分析出差错。

例2 图6所示的内表面及碗口均光滑的半球形碗,一根细线跨在碗口上,线的两端分别系有质量为m1和m2的小球,当它们处于平衡状态时,质量为m1的小球与球心O点的连线与水平线的夹角α=60°。求两小球的质量比。

这道全国高考试题,相当多的学生由于不规范作图,只画一个分力,而且只想到垂直分解,画的是如图7甲所示的残缺受力图,从而得出错误关系式m2g=m1gcos30°。学生如能完整、规范地作出如图7乙所示的受力图,就容易得到正确的关系式m1g=2m2gcos30°[2]。

例3 如图8所示,半径为R的竖直固定的光滑大圆环上,套着一只质量为m的空心小球。一根劲度系数为k、自然长度为L0的轻弹簧,一端系在圆环最高点,另一端系住小球。当小球静止时,求弹簧与竖直方向的夹角的余弦。

这个问题也需要引导学生对小球进行受力分析,正确作出重力G、弹簧的弹力F和圆环对小球的支撑力N。根据小球处于静止状态,这三个力的合力应为零,作出图9所示的矢量关系图。

由于规范、准确的作图,才容易看出:力的矢量三角形与相关的几何三角形相似,有■=■,而OA=R,AB=2Rcosθ,得到弹簧弹力F = 2mgcosθ。再根据胡克定律有F = k (2Rcosθ-L0),联立上述方程解得cosθ=■。

这里如果没有准确、规范、认真的作图,就不会发现这里力矢量三角形与几何三角形相似,也自然不会想到运用三角形的相似比进行求解。教学中应让学生充分明白规范作图的意义,明白作图也是自己物理素养水平展示的一个窗口,常备随手可取的作图工具,如圆规、三角板、硬币等物品,以便快速、准确作图。

3? ? 作函数关系图,培育图像运用素养

图像是物理学的一种重要语言,它可以准确表述两物理量之间的关系。对图像语言的掌握及运用水平,也是学生物理素养的重要表现。要学好高中物理,就得努力提升物理图像语言的运用水平,这对解决物理问题大有裨益。高中物理教学应注重引导学生作物理量之间的关系图像,并引导学生在分析问题、解决问题中加以运用,以培育学生的物理素养。

例4 由三块相同长度的光滑钢片构成三条轨道,上端离地面的高度相同,钢片a构成斜面,钢片b构成凸面,钢片c构成凹面,如图10所示。小滑块分别从三条轨道的顶端由静止开始下滑,试比较其下滑的时间。

面对这样一个变加速下滑的复杂问题,如果引导学生作速率-时间图像进行分析,还是比较容易作出判断的。这里需要抓住三点:一是由机械能守恒可知三次下滑到地面的速率相同;二是速率-时间图像所围的面积表示路程;三是从轨迹切线的角度变化分析加速度大小的变化。这样就可以引导学生作出图11所示的速率-時间图像,得到tb>ta>tc。通过这样的图像展开分析,就能很好地反映学生较高水平的物理素养。

例5 有两只电阻R1和R2,它们的伏安特性曲线分别为图12中的a和b。现将它们串联后,接在电动势E=4.0 V、内电阻r= 1.0 Ω的电源两端,试求出此时两只电阻分别所消耗的电功率P1和P2。

虽然这道题需要的常识基础不高,都是高中学生所具备的,但要解答本题却需要较高的物理素养水平。首先,根据串联电路电流处处相等,R1、R2串联后的等效总电阻R两端的电压应是U=U1+U2,这样就可以在同一坐标上由两电阻的伏安特性曲线“相加”作出等效电阻的伏安特性曲线,如图13中的曲线c所示。

然后,在该坐标中作出电源的伏安特性曲线(如图线d),电源的伏安特性曲线与总电阻的伏安特性曲线相交点P,就是总电阻接在该电源两端时的“工作点”,从图像中读出Ip=1.65 A处两只电阻的伏安特性曲线上相应的电压值Ua=1.50 V,Ub=0.80 V,计算得到它们的电功率Pa=2.48 W,Pb=1.32 W[3]。

学生经历这样的分析过程,不只是学会运用图像来描述两个物理量之间的关系,而是学会运用图像分析、解决具体的物理问题,有效促进学生物理素养的提升。

4? ? 作实物装置图,培育空间想象素养

高中物理所涉及的问题多是源于生产生活实际,实际问题进行适当简化构建出中学生能够分析解决的理想模型。对于相对复杂的实际问题,如果没有作出相应的装置图,仅凭大脑思考,会给大脑增加很大的思维负担,且容易出错。如果画出与实际装置特点相一致的图形,把实际情境呈现在眼前,不仅可以减轻空间想象的压力,提升空间想象的素养,而且对分析该装置所涉及的物理问题是非常有益的。

例如,现实生活中有许多由杆、绳组成的承重装置,但不同的装置有着本质的区别,如果作装置图时不加以认真考虑,会对问题的分析带来极大的影响。图14所画的三种轻杆、轻绳结构装置图,外观相似,却有本质的区别。

如果斜拉绳与悬挂物块的竖直绳属于同一根绳,杆的末端又是光滑的,此时杆起着定滑轮的作用,而定滑轮只改变力的方向,不改变力的大小,可见斜拉绳和竖直绳的拉力大小都等于物块的重力。那么,两绳拉力的合力就一定不会沿杆。如果杆呈水平状态,那么这根轻杆就只能是插入墙体或采取其他办法固定才可能保持平衡,其装置图最好是画成图14甲所示的结构;如果杆是靠铰链固定在墙面,那么这根轻杆的轴线就只能是处在两绳拉力的合力作用线上方可保持平衡,其装置图就应画成图14乙所示的结构;对于图14丙,其斜拉绳与悬挂物块的竖直绳就不属于同一根绳,而是两根都系在杆B端的绳子,这两根绳的拉力不相等。若丙图杆的A端也是通过铰链固定在墙面上,那么两绳拉力的合力方向一定沿着水平杆。

因此,一幅装置图也能较好地反映出学生的物理素养水平。在引导学生作这些装置图的教学中,教师应该引导到位,让学生明白其中的道理,理解作图细微区别的深刻含义。

在物理习题教学中,物理习题的求解过程离不开作图,图形和图像是实际问题与物理规律之间的解题思维桥梁。因此,高中物理教学应该从高一起始年级开始,强化学生的作图训练,通过作图培育学生的物理素养。

参考文献:

[1]廖伯琴.课程标准与教材修订(二)——如何在教材中凸显对学生学科核心素养的培养[J].物理教学探讨,2020,38(02):1-5.

[2]林明华.慢悟理——中学物理重过程教学的探索[M].福州:福建教育出版社,2016:29-30.

[3]黄巧曦.注重考查物理实验素养 体现实验与理论相结合——从 2017 年高考全国Ⅰ卷物理电学实验题探析说起[J].中学物理,2018,36(11):63-65.

(栏目编辑? ? 赵保钢)

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