浅谈物理图象教学

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  学完匀变速直线运动,图象教学便成为物理教学不可缺少的基本内容.物理规律的描述常见的就是三种形式,即语言、函数、图象,其中,用图象描述规律具有形象、直观、准确等特点.不言而喻,对于进入高中不久的学生来说,图象也是最陌生的一种形式.因为图象的种类繁多,学生常常面对图象指鹿为马;因为图象描述的内容丰富,学生常常面对图象眼花缭乱;因为图象应用的功能独特,学生面对图象既惊叹它的巧妙,又感叹它的难以驾驭.本文就教学实践中学生常常遇到的这些问题谈谈物理图象教学.
  1识图的基本功
  完整读懂图象必须从点、线、面三个角度.点,即图线的交点;线,即坐标轴代表的物理量、截距、反应图象特征的斜率;面,即坐标轴和图线所围成的面積.
  1.1位移-时间图象与轨迹图的区别
  位移是矢量,既有大小又有方向,位移-时间图象即描述位移的大小和方向随时间变化的规律;而轨迹是物体实际运动的路径,轨迹图中,x轴、y轴描述的对象为物体实际运动的位置坐标.
  例1如图1所示为A、B、C三个物体运动的x-t图象.试比较三个物体在10 s内的位移大小和路程大小.
  分析三个物体都做直线运动,A做往返直线运动,B、C单向直线运动,所以A的路程最大,B与C路程相等.10 s末三条图象相交表示位移相等.常见错误是将A、C当成曲线运动,得到C的路程大于B的路程.错误根源是将位移-时间图象与轨迹图混淆.
  1.2速度-时间图象与位移-时间图象的区别
  如表1、表2所示.
  表11图象的交点1斜率1纵坐标的截距速度-时间图象1速度相等1加速度1t=0时刻的速度位移-时间图象1位移相等1速度1t=0时刻的位移表21横坐标的截距1坐标轴和图象
  所围成的面积1表征的运动速度-时间图象1速度为零时的时间1位移1直线运动位移-时间图象1位移为零时的时间1无物理意义1直线运动需要特别说明的是,v-t图和x-t图只能描述直线型运动.在初中,学生学了函数的图象(一次函数和简单的二次函数),接触了直角坐标系,x轴、y轴描述的对象仅为数(标量).在v-t、x-t图中,t轴描述时间,时间是标量,但v轴和x轴是描述矢量的轴,不仅要描述大小,还要描述方向,但矢量轴只能描述正、负两个方向.所以, v-t图和x-t图只能描述直线型运动,包括单向型直线运动和往返型直线运动(因只有v轴和x轴能描述物体运动的方向,且只有正、负两个方向).
  例2一个质点做直线运动,其s-t图象如图2所示,则图3中与之对应的v-t图是
  分析由于位移-时间图象的斜率表示该时刻的速度,斜率的正负表示速度的方向,所以第一秒内,图象的斜率为正常数,即速度为正方向的匀速运动;第二秒内斜率为零即物体的速度为零,物体处于静止状态;第二秒末到底五秒末,斜率为负常数,即速度为负方向的匀速直线运动;故A、C、D错误,B正确.
  2图象的妙用
  2.1遇到研究对象较多,过程较多的情况,用图象解题是“绝招”
  例3甲、乙、丙三辆汽车以相同的速度经过某一路标,从此时开始,甲车做匀速直线运动,乙车先加速后减速,丙车先减速后加速,它们经过下一个路标时的速度相同,则
  A.甲车先通过下一路标B.乙车先通过下一路标
  C.丙车先通过下一路标D.三辆车同时通过下一路标
  分析本题涉及到的研究对象较多,用普通的方法很难解决.如果将甲、乙、丙三辆汽车的运动过程在同一个v-t图中画出(图4),根据坐标轴和图像所围成的面积相等,就能便捷得到结果,B正确.
  2.2充分利用图象的“面积”,化腐朽为神奇
  例4蚂蚁离开巢沿直线爬行,它的速度与到蚁巢中心的距离成反比,当蚂蚁爬到距巢中心的距离l1=1 m的A点处时,速度是v1=2 cm/s. 试问蚂蚁从A点爬到距巢中心的距离l2=2 m的B点所需的时间为多少?
  分析因蚂蚁运动的速度与到蚁巢中心的距离成反比,非匀变速运动,用常规的方法遇到了困境,但是,如果合理进行转换,则是柳暗花明.考虑到v∝11x,作出v-11x图象,如图5所示,为一条通过原点的直线.图象和x坐标轴所围的面积即为蚂蚁从A到B所用的时间:
  T=(11v1 11v2)(l2-l1)12=l22-l2112l1v1=75 s.
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