巧用圖象解題初探

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巧用圖象解題初探
巧用圖象解題初探
 物理問題的表述方式有三種:公式、表格和圖象。其實,大多實際物理問題的最初研究都是從表格(資料記錄)和圖象(常用的資料處理方式)開始的,其中圖象的最大特點就是直觀。
 高中物理學習中也涉及大量的圖象問題,從力學到電學、熱學、原子物理學,涵蓋面相當廣泛。運用圖象的能力要求歸納起來,主要包含以下三點:(1)讀圖:即從給出的圖象中讀出有用的資訊來補足題中的條件解題;(2)用圖:利用特定的圖象如υ-t圖、U-I圖P-V圖等來方便、快捷地解題;(3)作圖:通過作輔助圖幫助理清物理線索來解題。這三點對學生思維的能力要求層層提高。
 下面先看一道利用圖象方便解題的例子。
 例1:一物體作加速直線運動,依次通過A、B、C三個位置,B為A C的中點,物體在AB段的加速度為a1,在BC段的加速度為a2,測得速度υB = (υA +υC),則:
 A. a1>a2           B.a1<a2              C.a1=a2               D.無法判斷
 該題若用公式推導加以判斷,其過程顯得繁瑣,而利用
 圖象解題則簡潔明瞭。抓住υB = (υA +υC),並用勻加速
直線運動(圖中虛線)作為參考,注意到B是A C的中點,
因而前後兩段圖線(圖中實線)下的面積(代表位移)應該
相等,從圖中明顯看出,a1<a2  。
 上例中圖象解題簡明、快捷的特點顯而易見,可是學生卻常常不能很好地運用圖象。原因是很多學生沒有抓住圖象的要素,就圖論圖,對圖象的認識停留在淺表的層次上,難免覺得圖象方法變化多端,比較抽象,自然也就談不上靈活應用了。
 如果我們能夠經常有意識地幫助學生分析有關圖象所表達的物理意義,以及如何利用圖象來解決相應的物理問題,那就不僅使學生學會了一種解題方法,而且更能使學生對許多問題的物理本質加深理解,長此以往,對提高學生的思維能力和物理素養也會有很大的幫助。
 圖象雖然看似複雜,其實,只要抓住斜率、截距、交點、面積、臨界點這幾個要點,即可達到既加深理解圖象的物理意義、又直觀方便解題的目的。
 
 一、理解斜率的物理意義
 物理學習中大量涉及的圖象是υ-t圖,它變化很多,在此首先要搞清的就是υ-t圖中的曲線上某點的切線的斜率所代表的是該點的加速度。
 例2:在傾角為θ的長斜面上有一帶帆的滑塊從靜止
 開始沿斜面下滑,滑塊的質量為m,它與斜面間的
 動摩擦因數為μ,帆受到的空氣阻力與滑塊下滑
 速度的大小成正比,即f=kv。滑塊從靜止開始
 下滑的速度——時間圖象如圖所示,圖中斜直線
 是t=0時速度圖線的切線,若已知m=2.0kg,θ=30°, g=10m/s2,由此求出μ和k的值。
 分析:本題最關鍵之處是讀出圖中兩個隱含條件:由圖線開始處的速度圖線的切線的斜率得到t=0時的加速度a0 = 3m/s2, 再由圖中讀出物體運動的最終速度υm =2m/s。由滑塊受力分析,即可得a=(mgsinθ- μmgcosθ – kv)/ m, 當a=0時,得到滑塊下滑的最大速度υm = (mgsinθ- μmgcosθ )/ k 。把a0和υm的值代入前面兩式即可求得μ=和k=3Ns/m。
 該例是讀圖的典型例子。同時該例還告訴我們 , 圖象解圖往往並非簡單的就圖論圖,而是常常和實際情景及物理公式結合在一起來解決問題 , 綜合性比較強。對物理問題理解得越深刻 , 解決問題的方法就越簡單。
 例3.如右上圖 ,A物體放在粗糙水平面上,用繩和B物體
連結在一起。用水平力F作用在A上向左拉動A,使B豎直
 向上勻速運動,判斷力F的大小如何變化。
 分析:對物體A進行受力分析如右中圖,因為物體B是勻速的,
 所以T大小不變,且兩物沿繩方向速度相等,υA=υB/cosθ, θ是
 在減小的,所以υA也是減小的,物A做減速運動。
 Tcosθ+μ(G-Tsinθ)-F=ma,得
 F= Tcosθ+μ(G-Tsinθ)-ma,
 式中Tcosθ、μ(G-Tsinθ)這兩項都是增大的,關鍵是判斷a
究竟是增大還是減少的,但這超出了初等數學的範圍。此時可以利
用圖象加以判斷。據υA=υB/cosθ , 當從90º→0º的過程中,υA
單調減小,且υA→υB ,作出υ-t圖象如右圖,由圖中曲線切線的斜率可以看出,a是單調減小的,由此得到F是逐漸增大的。
 學生常常想不到何時可用υ-t 圖象 , 象上題這類 F → a → 的問題 , 當無法用初等數學解決 , 且題目本身又並不追究具體的數值 , 僅作出變化趨勢的判斷 , 那就不妨
 嘗試一下圖象解法 , 或許就會柳暗花明了。
 二、抓住截距的隱含條件
 圖象中圖線與縱、橫軸的截距是另一個值得關注的地方。
 例4.在測電池的電動勢和內電阻的實驗中,根據得出
的一組資料作出U—I影象,如圖所示,由影象得出電池的
電動勢ε=      V,內電阻r =       Ω。
 分析:電源的U-I圖象是經常碰到的,從圖線與縱軸
的截距容易得出電動勢ε=1.5V,學生在這裡常犯的錯誤是
把圖線與橫軸的截距0.6A當作短路電路,而得出r=ε/ I短
 =2.5Ω的錯誤結論, 原因就是在初始學習時(題目的縱、橫座標起點均為0)對截距的物理意義不求甚解(此時縱軸截距為外電路電流為零時的端壓,即電動勢,橫軸截距為端壓為零時的電流,即短路電流),而單純的機械記憶造成的。
 本題還可在截距上進一步變化,使橫座標的起點也不是從零開始,這時就連電動勢也不能簡單的從圖線與縱軸的截距上讀出了,而要根據縱、橫截距的物理意義代入方程進行計算了。如果沒有對圖線的截距所代表的物理意義分析透徹,是無法得到正確的結論的。
三、挖掘交點的'潛在含意
 圖象中的交點往往又是一個重要的條件,需要我們多加關注。
 例5.現有一隻標有“6V、1W”的小燈泡,用伏安法測得
一組資料後作出了小燈泡的U-I特性曲線如右上圖,若將此燈
泡與R=9Ω的定值電阻串聯後,接在一個電動勢為ε=6V、r=1Ω
的電源上,此時燈泡的實際功率是多少瓦?
 分析:從燈泡的U-I特性曲線可以看出,燈泡作為一個
實際的用電器,其電阻是隨著電流的增大而增大的,所以在
不同的電壓下其電阻是不一樣的,不能簡單地用串、並聯中
電壓分配的規律來求出功率。把定值電阻R=9Ω併入電源,
相當於電源的內阻rˊ= 10Ω,根據端壓公式U=ε-I rˊ,
在圖中作出電源的端壓U=ε-I rˊ與電流關係的U-I圖線
(如右圖),其與燈泡的U-I特性曲線的交點C所對應的縱、橫座標即代表該電源與該燈泡連線時燈泡連端實際的電壓U和電流I,根據功率的公式P=UI,即可得燈泡的實際功率。
 上述例子告訴我們,利用U-I圖中交點所代表的物理意義,可以解決電路中一類伏安特性曲線非線性變化的用電器(如實際電燈泡、二極體等)與電源連線時的實際電壓和實際電流的問題。
四、明確面積的物理意義
 利用圖象的面積所代表的物理意義解題,往往帶有一定的綜合性,常和斜率的物理意義結合起來,其中υ-t圖象中圖線下的面積代表質點運動的位移是最基本也是運用得最多的。
 例6.如圖,一顆子彈以較大的速度υ0水平擊穿原來靜止在光滑水平面上的木塊,設木塊對子彈的阻力不隨速度而變,則當子彈水平速度增大為υ* 時,問:
子彈穿過木塊的時間如何變化?
木塊獲得的速度大小如何變化?
 分析:細想起來,當子彈的速度大小發生變化的時候,其穿越木塊的時間、速度的改變數、木塊獲得的速度等等都會跟著改變,似乎顯得頗為複雜。但如果抓住了在這些複雜的變化中的不變數——子彈和木塊之間的相對位移,即木塊的厚度,並利用υ-t圖象,事情就一下子變得簡單了。
 作出子彈和木塊的υ-t圖,為圖中的υ0a 和0b,子彈穿出
 木塊所對應的時間t1,圖中梯形υ0at10的面積代表子彈的
 位移,△0bt1的面積代表木塊的位移,則梯形υ0ab0的面積
 代表子彈和木塊之間的相對位移。當子彈的速度增加時,因
 為相互作用力不變,作出的υ-t為圖中的υ*c和0d,為保證
 梯形υ*cd0的面積(即子彈和木塊之間的相對位移)和梯形
υ0ab0的面積相等,則必然t2 <t1,木塊的速度υd<υb。
 利用類比的方法,搞清不同圖象中線下面積所代表的物理意義,可以解決更多的問題。
 例7.一隻老鼠從洞口爬出後沿一直線運動,其速度大小與其離開洞口的距離成反比。當其到達距洞口為d 1的A點時速度為v1。若B點離洞口的距離為d2(d2>d 1),求老鼠由A運動至B所需的時間。
 分析:本題中由於老鼠的速度υ是一個非線性變化的變數,用
 
 
 初等數學的方法也是無法得出時間的。但注意到υ∝,可
 通過與υ-t圖象類比的方式作出d- 圖象(如右圖所示)來
 求解。圖中縱、橫座標的乘積單位是時間的單位,根據梯形
 面積公式,可方便得出t=(d2 -d2)/2υ1d1。
 該題處理的方法在物理競賽中是常用到的。
 相同的類比還有很多:如F-s圖中的“面積”代表力F所做的功;F-t圖中的“面積”代表衝量; P-V圖中的“面積”代表氣體所做的功等等。但並非所有圖象的“面積”都可以如此類比解題的,如U-I圖象中圖線下的“面積”就不能代表電阻所消耗的電功率了,又如上題中有些同學不求甚解,把縱、橫座標弄倒,而認為圖中線下的面積代表時間的倒數,那就完全搞錯了。所以在類比應用中還是要基於對圖象內涵的深刻理解。
五、在圖中表達臨界條件
 題中“恰好”、“至少”等字眼常提示著某種臨界條件,有時把臨界條件反映在圖中,可以使物理情景變得清晰。
 例8.某人在日落後4小時看到一顆人造衛星恰在頭頂上,求該人造衛星的週期.(已知地球半徑為R,質量為M)
 分析:本題如能抓住“恰在頭頂”這幾個字,把物理情景在圖中表達出來(如右圖),則可知道經過4小時,該觀察者隨地球自轉從圖中A位置轉到圖中A/的位置,轉過的角度θ=600.所以判斷出衛星離地心的距離r=2R,由G = mr即可得出週期T的結果.
 該題經過作圖,各物理量關係一目瞭然,勝過許多文字表達。
 分析:此處可套用自由弦定理,即物體由靜止開始,無摩擦的從豎直放置的圓環的的最高點沿不同的弦運動到圓周上所需要的時間相等,都等於豎直直徑自由落體的時間.所以只要尋
 通過以上討論可以看到,圖象的內涵豐富,綜合性比較強,而表達卻非常簡明,是物理學習中數、形、意的完美統一,體現著對物理問題的深刻理解。給學生的不僅僅是一種解題方法,也是一個感悟物理簡潔美的過程。
 但並非所有的問題都可用圖象解題。如熱學玻璃管中被液滴分割的兩部分氣柱,當溫度變化時氣柱向什麼方向移動的問題,雖然很多書中都提到了用p-T圖象解題的方法,但我認為,此類問題採取假設液滴不動的方法,利用查理定律的變形,完全可以收一網打盡之功效,用圖象解題反而徒增了理解上的難度,顯得累贅了。
 筆者希望通過本文幫助同學克服對圖象解題的神祕感和恐懼心,善於應用圖中條件,樂於嘗試用圖象來解題,加深對物理問題本質的理解,在實踐中不斷提高自己運用圖象解決問題的能力。