基于核心素養的物理圖象教學

林先鼎

摘? ?要：物理圖象是核心素養的重要載體，從一道高考題談起，分析教學中如何從物理圖象獲取信息，還原情境，建立模型;用圖象的面積和斜率，分析推理物理過程;對圖象變形遷移，處理數據，進行科學思維，解決物理問題，從而在物理圖象教學中落實核心素養。

關鍵詞：核心素養;物理圖象;教學

圖象是非常美麗簡潔的物理語言。圖象直觀反映物理量之間的函數關系，是抽象思維和直觀感知高度結合。物理圖象有助于物理情境的建立，物理過程的分析，物理問題的解決。因此借助物理圖象考查物理知識，能力，素養一直是高考常見的形式。讀圖，用圖，變換圖象是借助數學工具，應用物理觀念，對信息進行還原建境，抽象歸納建模，推理論證，科學探究的過程，這正是物理核心素養的具體體現?，F以一道高考題為例探討圖象教學中物理核心素養的落實。

1? 素養立意，寓理于圖

例題（2019全國Ι卷21）：在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，P由靜止向下運動，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關系如圖1實線所示。在另一星球N上用完全相同的彈簧，改用物體Q完成同樣的過程，其a-x關系如圖1中虛線所示，假設兩星球均為質量均勻分布的球體。已知星球M的半徑是星球N的3倍，則（ ）

A. M與N的密度相等

B. Q的質量是P的3倍

C. Q下落過程中的最大動能是P的4倍

D. Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍

這是一道物理圖象和物理規律深度融合的綜合性試題。該題以萬有引力定律、牛頓第二定律為知識鋪墊，以圖象為信息載體，考查學生力與運動、功和能的物理觀念，科學思維等物理核心素養。答好本題，學生必須讀懂圖象，提取信息，在兩星球上建立彈簧模型，同時對加速度、動能等基本概念要有深刻理解，最后還要善于利用圖象處理數據。

2? 讀圖復境，建立模型

物理圖象是通過抽象概括將物理的概念規律通過圖中的“點、線、面”加以表達。讀圖是從圖象的元素提取信息的過程。要做到快速準確獲取信息，這就要求讀者熟練掌握圖象各元素所表達的物理意義。用圖分析物理問題，可從圖象的特殊點入手，明確所處的狀態，還原物理問題的原始情境，建立物理模型。

圖1反應信息是小球a（加速度）隨x（形變量）的變化關系。分析a-x圖象的縱軸截距物理意義可得，即x=0時小球剛接觸彈簧狀態，不受彈力，a=g'即gp=3a0，gQ=a0。分析橫軸截距物理意義可得，a=0，即合外力為零時，壓縮量分別為x0，2x0。由此可得小球在各個狀態位置如圖2，小球受力，加速度，速度，動能在相應狀態下的特征值如表1。

探討：? 二維坐標物理圖象教學，首先要明確縱軸（因變量）和橫軸（自變量）所代表的物理量和單位，這樣才能分析本圖所要表達哪些物理量間的數學關系及所要表達物理量間的變化規律。接著關注截距，交點，拐點，折點，最值等特殊點的物理意義，明確研究對象的狀態，從高度概括的圖象信息中恢復研究對象所處的具體物理情境，建立模型，從而展開物理問題的分析。圖象教學既要訓練從物理的情景到圖象抽象作圖過程，也要訓練從圖象的特殊值還原到物理對象具體情境的建模過程。這樣學生在讀圖解決問題時才可能在圖象抽象和情境還原中迅速切換，達到提取信息，處理信息的目的。

3? 識線知面，科學推理

物理的概念具有進階的特點，一些新的物理量可由舊的物理量相比或相乘而得到，在二維的坐標軸上表現為線的斜率，或圖象所圍的面積。一些物理的過程也可借助圖象的斜率和面積加以展示。如追趕問題中的兩對象的空間距離表現在v-t 圖象為面積的差值。這就要求讀圖者能從物理觀念的角度看待圖象的斜率和面積關聯的物理量，進行推理論證，分析問題，從而培養學生嚴謹的邏輯思維。

4? 變圖遷移，推陳出新

將一些物理圖象橫軸或縱軸放大和縮小，或者數學上冪級數的處理，從而得到新的圖象。而這些新圖象的斜率面積產生新關聯的物理量又有新的物理意義，將原來的物理方法順應遷移，給解決物理問題帶來新的途徑，從而培養學生創新思維。

將圖1縱軸放大M倍，變為Ma-x圖象，即為F合-x圖象。F合為線性變力，通過微元化變為恒力，再累加，得F合-x圖象，其總面積為F合做的總功。據動能定理得合外力做的總功即為動能變化量，而初動能為零，所以總功的大小為末動能大小。a為正，Ma為正，F合做正功，動能增加。a為負，Ma為負，F合做負功，動能減少。a=0時速度最大，為動能最值的狀態。所以x0，2x0位置是P和Q最大動能位置。如圖3，P、Q的Ma-x圖象在x軸上方的 “面積”之比為1∶4，所以Q下落過程中的最大動能是P的4倍，C選項正確[ 2 ]。進一步分析可得，當運動至最低點時，動能為零，從開始運動到最低點，圖象所包圍的總“面積”為零。即x軸上、下方“面積”大小相等，符號相反。由對稱性得出xp=2x0，xQ=4x0，則Q下落過程中，彈簧最大壓縮量是P物體最大壓縮量的2倍，所以D錯誤[ 2 ]。

總之，在物理圖象教學中落實核心素養要做好三個方面：一讀圖復境;能從物理圖象元素中快速有效的提取信息，恢復情境，建立模型，展開分析;二用圖推理：能從圖象的斜率，面積，結合物理公式找到物理量關系，建立物理過程，進行分析推理論證;三作圖解疑：善于在真實的物理情境中做出物理圖象或變形圖象，厘清過程，處理數據，解決物理問題，最終達到圖以致用促進核心素養落實的教學目的。

參考文獻：

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