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作图在分析和解决问题时的作用

作图在分析和解决问题时的作用

石榴

内容提要:在分析问题和解决问题时,学生主动作图的习惯和能力,需要培养和建立。一个物理情景,如果通过作图将其模型话,就会发现问题原来不是那么复杂,也不会被表面的假象所困惑。很多物理过程不在同一个时间、同一个状态、同一个层面,而这些不同的过程又有着相同的和不同的关联,我们通过作图将这些不同的过程并列着显现出来,就能建立物理桥梁,从已知的此岸顺利达到未知的彼岸。

主题词:作图;习惯;能力;模型化;过程化

中图分类号:G4 文献标识码:A

目前,在初中物理教学中,师生经常完成光学光路作图题、力学受力(力臂)分析题、电学电路连线题,这一类作图题以仅仅完成作图为目的,而在分析问题和解决问题时,学生主动作图的习惯和能力,显得不够,需要培养和建立。

一、通过作图将物理问题模型化

一个物理情景,如果通过作图将其模型化,就会发现问题原来不是那么复杂,也不会被表面的假象所困惑,有利于抓住主要因素而忽略次要因素,有利于问题的分析和解决。

例如一道计算题:

如图3,图甲为研究匀速直线运动的实验装置,一个半径为2cm的球由于磁铁的吸引静止在盛水的玻璃管底,水深1m.移除磁铁后,球在玻璃管中上升,图乙为球在露出水面前运动速度与时间的关系图象,其中v0=0.05m/s,水的密度为1.0×103kg/m3,求:

(1)移除磁铁前,玻璃管底受到水的压强;

(2)球在玻璃管上升过程中前4s的平均速度;

(3)已知球上升时受到水的阻力与其速度的关系为f=kv,球的体积用V,水的密度用ρ0表示,请推导球的密度表达式(用字母表示)。

求第(2)问的平均速度时,如果不将小球模型化,

画出它的上升過程,就很容易在计算小球0~4s运动的距离时出错,只是用水深减去小球4~21s运动的距离,会忘记了或者不会考虑到减去小球在底部和上部的两个半径,而且如果不作图,就不能迅速确定重心这个参考点,影响思考问题的速度和准确度。当我们把小球的运动过程作图表现出来(如图4),就能够快速的、直观的、准确的解决这个距离问题。

求第(3)问的小球的密度时,要求用字母表示,学生更是感觉到困难和茫然,但是如果养成受力分析的习惯,作图5,很快就能列出力的平衡方程:

G + f = F浮,

再展开:ρVg + kv0 = ρ0gV,

求出ρ0一个看似困难的问题迎刃而解。

可以顺势设计逆过程:一个密度大于水的小球加速下沉后后匀速下沉,也可以求有关速度和密度。要求学生画出受力分析,列出平衡方程:

G  = F浮 + f,再展开:ρVg = ρ0gV + kv0 ,求出ρ0

这也是初高中衔接,培养思维习惯和能力的好地方。有了画图分析受力情况的好习惯,就有了解决问题的勇气和路径。

再看一道计算题:

如图6所示是某款用于临床治疗的微量注射泵,通过其智能微推进系统,可以给病人实施高精度、小流量的药液注射。某次注射时使用的薄壁注射器横截面积为5.55cm2,内有44.4mL的药液,注射速度v0为5.55mL/h。求∶

(1)若药液的密度为1g/cm3,则注射器内药液的质量是多少?

(2)注射过程中,注射器芯杆移动的速度。

(3)若注射器内药液的质量为m,密度为ρ,匀速推注完这些药液注射泵对水平注射器芯杆做的功为W。已知薄壁注射器横截面积为S,活塞与内壁之间摩擦力为f,活塞对药液推力不变,请推导活塞对药液压强的表达式(用字母表示)。

对于第(2)问,很多学生对于注射速度v0为5.55mL/h(即5.55cm3/h)不理解,但是,如果模型化作图成为习惯,另外画一个图(如图7),很容易将注射器每小时注射的体积V转化为注射器芯杆每小时移动的距离L。作图就是将隐藏的逻辑关系表象化,清除了思维障碍,降低了思维难度。

对于第(3)问,学生更是感受到思维压力,无从下手,若是不问能否做出正确答案,直接画出匀速直线运动的芯杆的受力图(如图8),

马上就可以列出芯杆在推力、摩擦力与液体压力作用下的平衡方程:

这样的习惯等于是找到了正确的出发点,必然引导我们正确地有目的去分析:要求P压,就要求F压,就是要求F推,逆推寻找,直抵已知。

注射泵的移动距离为:

对水平注射器芯杆做的功为:

推力为:

可知活塞对药液压力为:

根据压强公式可知活塞对药液压强为:

看似复杂的困难的问题,通过作图将其抽象和简化,即模型化,删除枝节露出主干,剥离细节抓住关键,找到正确的出发点和路径,必然可以到达正确的目的地。

二、通过作图将物理问题过程化

很多物理过程不在同一个时间、同一个状态、同一个层面,而这些不同的过程又有着相同的和不同的关联,我们通过作图将这些不同的过程并列着显现出来,就能建立物理桥梁,从已知的此岸顺利达到未知的彼岸。

例如一道选择题:

如图13所示电路,电源电压不变,闭合开关S,当滑片P置于滑动变阻器R2的最右端B处时,电压表的示数为4 V,定值电阻R1的功率为0.8 W;当滑片P置于滑动变阻器R2的中点时,电压表的示数变化了1 V。下列结果正确的是(    )

A.电源电压为8 V

B.R1的阻值为20 Ω

C.电路前后两次电流之比为1∶3

D.电路总功率变化了1.2 W

本题的困难之处在于:电压表测谁的电压?电压表示数变化1V,是变大还是变小?滑动变阻器在两种状态下的条件如何关联起来?

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