巧用数学方法破解北京中考物理试题难点

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  近年来,随着课程改革的不断深入,以科学探究为宗旨的教学理念在教学中不断体现,其中以考查学生科学探究能力,即利用函数图象来解决物理问题的题型不断涌现,这种题型也成为中考物理的热门。函数图象不仅形象、直观,还能反映物理规律的动态变化,许多抽象的物理概念、物理的变化规律,通过图象能使问题简单化、具体化。解决好此类问题,不但破解了中考试题一个难点,更使学生的科学探究能力得以提升,因此需要教师在教学中运用恰当的方法,突破学生的思维障碍,顺利解决问题。下面以近年来北京市中考物理试卷中有关函数图象的考题为例,对如何用数学方法解决此类问题加以总结。
  最早的函数图象题出现在2006年,即课标修订版(实验版)实施的第6年。纵观几年来的考题形式,解决问题的方法不外乎三种,即观察法、作图法、解析法。
  1观察法简洁直观
  例1(2006年)在“观察水的沸腾”实验中,当水温升到89 ℃时,小刚开始计时,每隔1 min记录一次水的温度。然后,小刚根据实验数据绘制了如图1所示的温度随时间变化的图象。
  (1)由图象可以看出,把水从91 ℃加热到刚开始沸腾所需时间为min。(2)根据图象可以推断,如果在其它条件不变的情况下继续对水加热1 min,则水的温度是℃。
  解析观察图象,得到如下信息——在0~5 min内,水吸热,温度升高;在5~8 min内,水吸热温度不变。根据液体沸腾的特点——液体沸腾过程中吸热,但温度不变,据此分析得结论:在第5 min,水开始沸腾。横坐标为5 min这个点是图象的关键点,找到关键点,既明确了此图象的物理意义,也直接解决了题中的两个问题。
  2作图法简单易行
  例2(2007年)图2是某种金属的质量与体积之间的关系图象,由图象可知4 cm3的该种金属块的质量为。
  解析从图2可以看出,直接观察读数显然不行,因为图象上横坐标为V=4 cm3的关键点不在图象上。解决这个问题,可用简单易行的作图法:将线段沿斜上方延长,使延长线经过横坐标为V=4 cm3的点(见图3),这样即可确定延长线上对应横坐标V=4 cm3的点,其纵坐标m=10.8 g即为此题答案。此方法适用于:图象为直线,但关键点不在图象上(不适用观察法)的问题。
  3解析法方便灵活
  对于初中学生,鉴于其数学、物理的知识基础,在使用解析法解题时,可将解析式归为四类:① y=kx,正比例函数;②y=kx+b,一次函数;③y=kx,反比例函数;④y=kx2,二次函数。下面结合不同问题,分别用解析法加以分析。
  例3(2007年)图4是某种金属的质量与体积之间的关系图象,由图象可知4 cm3的该种金属块的质量为。
  解析此题在前面已用作图法做过分析,下面再用解析法加以分析。
  由图4可知,这是正比例函数的图象,满足y=kx。根据图象,可将图象的解析式写为m=kV,确定线段上一点的横、纵坐标,即可确定m=kV式中的k值。在线段上取横坐标V=2 cm3的点,该点的纵坐标m=5.4 g(见图5),将横、纵坐标代入式m=kV,得k=2.7 g/cm3,即得图象的解析式为
  m=2.7 g·cm-3·V ,
  把V=4 cm3代入上式,得m=10.8 g。通过对此图象的分析不难看出,解析法与作图法的解题结果相同,但解析法较为繁琐,所以图象是直线的问题用作图法更简便易行。
  例4(2008年)当导体两端电压一定时,通过导体的电流随导体电阻变化规律的图象如图6所示。请根据图象判断,当导体电阻为60 Ω时,通过该导体的电流为。
  解析由图6可知,这是反比例函数的图象,确定图象的解析式为I=kR。在图象上取横坐标R=10 Ω的点,这一点的纵坐标对应的是I=0.6 A(见图7);把这一点的横、纵坐标代入I=kR得k=6 A·Ω,由此得图中函数图象的解析式为
  I=6 A·ΩR
  把R=60 Ω代入上式,得I=0.1 A,即为此题答案。
  2010年第31题:定值电阻R消耗的电功率P随通过R的电流I变化的图象如图8所示。请根据图象判断:当通过R的电流I为0.3A时,电阻R消耗的电功率P为 。解析:由图8可知,此图象的解析式应为二次函数,该图象的解析式可写为P=kI 2.在图象上取横坐标I=0.5A点,此点对应的纵坐标P=25W(见图9),把这一点的横、纵坐标代入P=kI 2得k=100W·A-2,由此可得图中函数图象的解析式为P=100W·A-2I 2······③式,把I=0.3A代入③式,得P=9W,即为此题答案。2011年第32题:小宝在探究电路中电压关系时,根据实验数据绘制了电压U2随电压U1变化的图象,如图10所示,请你根据该图象写出电压U2和U1的关系式:U2 =。解析:由图10可知,这是一次函数的图象。根据图象,解析式可写为U2=kU1+b。在图象上取横坐标U1=3V、4V 两点,这两点的纵坐标分别是U2=6V、5V(见图11),把这两点的横、纵坐标代入U2=kU1+b得k=-1、b=9V,由此可得图中图象的解析式为U2=-U1+9V······④式,即为此题答案。用解析法解决图象问题,确定解析式的形式是解决问题的基础,确定解析式中自变量系数、常数项是解决问题的关键(由此也体现了数学与物理学科的密切联系)。综上所述,解决物理图象问题的方法不是唯一的,巧妙地借用数学中的有关方法,可以有效地解决由图象——物理规律的问题,也为学生进行科学探究奠定了坚实的基础。
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