整体法在物理教学中的应用

整体法在物理教学中的应用摘要本文首先阐述了整体法的内涵和作用，讨论了以研究对象为整体的对象整体法和以研究过程为整体的过程整体法在物理教学中的运用。本文从物理学中的力学，电磁学，光学，热学几大门类分别举例介绍整体法在物理教学中的应用。另外还从整体法与隔离法的关系介绍了整体法的局限性，巧妙地介绍了怎样克服整体法的局限性。关键词整体法隔离法物理教学对于一些特定的物理问题，需要特殊的解决方法.在长期的实际中，我们已经形成了一些特定的思维方式，总结出了一些特殊的解决方法。这些方式和方法对于解决这些特定的物理问题，十分行之有效。学生掌握这些特殊的方法会提高他们解决物理问题的能力，加快解决物理问题的速度，减少解决物理问题的失误，提高解决物理问题的效率。在物理教学活动中，有很多特殊的方法和技巧，不可能一一枚举，下面介绍具体代表性的整体法在物理教学中的应用。1整体法基本内涵和作用1.1整体法概念的建立复杂的物理现象告诉我们在许多情况下，部分不一定能够代表整体的性质，对于这样的问题可以用整体的思维方法去解决。整体法是用整体的思维方法分析问题，是以事物的系统作为研究对象，从整体或全过程去探索事物的规律，揭示事物的本质.在物理教学中，教师要注重培养学生用整体法分析物理问题。在用整体法解决物理问题时，可以选择整个系统为研究对象，分析它的运动状态，称为研究对象整体法；也可以从分析物理过程的角度，可以选择物理状态变化的全过程进行研究，称为研究过程整体法。整体法从全局考虑问题，高度凝练简洁，使要研究的问题化繁为简，可以提高学生的解题技能，发展学生的思维能力。两个要研究的物理对象在局部比较具有相似性，但从整体上却不具有相似性，例如描述地面上物体的运动情况以地球为参照物就可以了，而描述地球整体的运动情况则应以太阳作参照系为妥……因此人们除了从部分出发运用分析的方法认识事物，还应善于从整体出发运用整体的思维方法认识事物。尤其是对几个相互作用的物体或相互有联系的运动过程所组成的系统，运用整体思维分析这些物理问题，从整体上把握研究对象的性质效果较好。我们把相互联系的物体或相互联系的过程为一个整体的研究方法，称为整体法。整体法的总思路是：把研究对象作为一个整体看待，立足于整体，来分析其部分以及部分与部分，部分与整体之间的关系。当研究的问题涉及整个物理过程时，通过对各个过程的分析，如能找出物体在各个过程所遵守的共同规律，则也可以把各个过程看作整体，一次性列出方程求解。在用整体法研究问题时，只存在一个研究对象，只需要分析周围环境对系统的整体法的作用，而不需要分析系统内部的作用。1.2培养学生运用整体思维方法在物理方法中，整体法是一种常用的较好的方法。在物理教学过程中，教师要重视整体法的应用，用渗透科学的整体原理发展学生运用整体法的思维能力。教师在培养学生运用整体法解决物理问题时，要贯彻启发式教学的指导思想，增强学生的学习实践活动。同时还要注意整体法的一个重要特点——多维性，当我们确定了某一整体为研究对象之后，就必须对整体纵向与横向、时间与空间、状态与过程等等进行多侧面、多角度、全方位的思考，通过对系统分析和系统综合，达到对物理现象及过程的整体认识，然后从已知条件出发，根据题设条件和所有已知量之间联系建立起一系列等式，直到建立起和待求量有联系的公式为止。在教学过程中，教师要根据学生的这种思维能力贯穿在中学物理教学的全过程和各个方面。教师在教学过程中应做出示范，有意思的从中学阶段就注意培养和训练学生对物理问题进行整体思考的习惯及正确运用整体法的能力，这样才能使学生运用整体法的能力得到较快的发展。2整体法在教学中应用在物理方法中，整体法不失为一种常用的较好的方法，因题置宜地灵活应用整体法，可以收到开阔思路，简化计算，事半功倍的效果。在物理教学过程中教师应积极引导和培养学生用整体法的思维考虑物理问题。2.1研究对象整体法在解决物理问题过程中，把涉及到的几个研究对象看成一个整体，这类整体法叫做研究对象整体法。它涉及的研究对象少，不计物体间相互作用的内力，在解题中能够简化过程，易于理解。2.1.1研究对象整体法在力学中的应用力学在物理学中具有重要地位，整体法在力学方面有其独特的应用。例1如图（1）A物重50N，B物重100N，A、B叠放在水平地面上，求物体B对地面的压力为多大？图（1）分析与解本题中我们要研究的对象有两个：A物体和B物体。按照常规思维，放在B物体上的A物体重50N，B物体重100N，方向竖直向下，根据平衡力的知识：地面对B物体向上的支持力N=50N+100N=150N。力的作用是相互的，所以B物体对地面压力是150N。如果我们将A物体和B物体看作一个“整体”，则A物体和B物体之间的作用力就是它们之间的内力，不须加以分析，只要分析这个“整体”受外力的情况，由分析可知，这一“整体”共受两个外力，重力地AB面对它向上的支持力，这两个力为一对平衡力，所以支持力大小等于它们的总重力，N=GA+GB=50N+100N=150N。从而可得B物体对地面的压力为150N。例2某年某地区遭受了特大洪涝灾害，急需18h内从甲地调动65t钢材至乙地，现仅剩一艘满载时排水量为80t的货船，船身质量（包括船员）约17t，已知甲乙两地水路距离为80㎞，船行驶速度为10㎞／h，钢材的密度为⒎9×103㎏／m，若不计水流速度。(1)请你设计出完成此项任务的可行方案。(2)通过分析、计算，找出最佳方案。分析与解：由题目设定的限制条件可知必须将65t钢材一船运走。而这么多钢材又无法全部装上船，因此必须将钢材吊挂在水中，以减轻船的负担。而钢材吊挂在水中增大了前进时受到的阻力，且不安全，因此吊挂在水中的钢材应尽可能的少些。本题所要求的最佳方案，即是要求出至少将多大质量的钢材吊挂在水中一趟运走。假设钢材已按最佳方法装船。我们将船及所有的钢材看作一个“整体”。这一整体在水中处于漂浮状态，由漂浮条件可知：F浮=G船+G钢材。又由阿基米德原理可知：F浮=G排。所以有G排=G船+G钢材。两边同时除以g可得m排=m船+m钢材=17t+65t=82t。轮船的最大排水量为80t。所以吊挂在水中的钢材的排水量为m排=82t-80t=2t。所以被钢材排开水的体积V排=m排/ρ水=2t/(1t/m3)，吊挂在水中钢材的体积等于其排开水的体积2m3，所以这部分钢材的质量为m钢=ρ钢v排=⒎9t/m3×2m3=⒖8t。即最佳方案是钢材吊挂在水中一趟运走。由此可见，在力学中把要研究的几个相互之间有一定联系的对象看作一个“整体”，然后再对“整体”受力分析，不需要分析其内容各对象之间的相互作用力，只要分析这一“整体”，受到外部对它的作用力，即外力。这就使得对物体的受力分析得到简化，进而顺利解决了问题。2.1.2研究对象整体法在电磁学方面的应用整体法不仅在力学中有广泛的应用，在电磁学中也有很多的应用。对一些电磁学方面的问题，可因题置宜地灵活应用整体法，使问题迎刃而解。例2如图（2）两条条形磁铁图(2)(a)悬挂时，上面绳子拉力为T，现将下面的一块磁体的、极倒置仍悬挂在原处，如图（b）则此时上面绳子的拉力为T′，比较T与T′的大小。NSSNNSSN图（2）TT/分析与解:粗看时，因两磁铁间由相吸改为相斥，下面一段绳子拉力要增加，但同时上面的磁体要受到下面磁体的向上的斥力作用，两者共同作用难以比较。用整体法研究此问题比较简单，把两磁体看作一个“整体”，前后两次向下的力均只受重力的作用，所以T=T′。例4如图（3）（a）所示，电路中当可变电阻的阻值增大时则（）图（3）AA、B两点间的电压U增大；BA、B两点间的电压U减少；C通过的电流I增大；D通过飞电流I减少；E通过的电流I不变。分析与解:用整体法解本题的思路是：把图中的虚线框内各元件看作一个整体，并设框内有电源，电动势ε′，内阻r′=R1+R2，则原题可转化为图（b）的电路，很容易判断：当R增大时，I减小，UAB增大，故A、D正确。2.1．3研究对象整体法在光学中的应用在解决有些光学问题时，可以从整体出发把握解题方向，以达到最佳的解题效果。例5由空气射入玻璃，再由玻璃射入水中，又向空气中射出，如图（4）所示，光线将（）A空气与玻璃交界面上发生全反射；B在玻璃与水交界面上发生全反射；C在水和空气交界面上发生全反射；D不会发生全反射。A(a)R2R！εrBARR(b)εr水玻璃空气空气图（4）分析与解:从整体上看，空气为光疏物质，由空气入射到其它介质时，入射角不可能达到900，因此所以的折射角和入射角都不可能达到900，故在所以界面上都不会发生全反射，故正确答案为（C）。2．1．4研究对象整体法在热学方面的应用对于一些热学题目，往往给出的已知条件和要求解的问题是未知量的组合，解题过程需要思维的跳跃，给学生带来了解题的障碍。运用整体法思考这类题目，能够使学生易于理解题目，把握题旨，灵活应用已有的知识解题，从而收到事半功倍的效果。例6据报道地球已有50亿岁了，地球大气外面是真空，太阳天天照射地球，却不见地球升温熔化是何道理？分析与解:从题并未明显给出已知条件，但可把地球及大气组成的整体作为研究对象，地球天天吸收太阳能，若不放出热量，地球肯定要不断升温，现在事实未见地球及周围空气明显升温，可以肯定地球及大气在吸收太阳能的同样、同时也放出热量。热量传递方式有三种：对流、传导、辐射。因为地球大气外的真空无对流、传导的可能，所以可以断定：地球及大气必定不断向外辐射热量，故不见地球升温熔化。2.2研究过程整体法在物理解题过程中，把涉及到的几个研究过程看作一个整体，叫做过程静止整体法。研究物体运动时，可以从全程出发，把握物体的运动，通过对各个过程的分析，找出各个过程所遵守的共同规律，一次性列出方程进行求解。例7如图（5）所示，一根对称“Λ”形玻璃管置于竖直平面内，管所在空间有竖直向上的匀强电场E，带正电q的小球在管内从A点静止开始运动，且与管壁的动摩擦因数为μ，小球在B端与管作用有能量损失，管与水平面间夹角为θ，AB长l，求从A开始，小球静止到运动的总路程是多少？图（5）分析与解小球从A端开始运动后共受四个力作用，电场力qE，重力mg，管壁支持力N，摩擦力f。由于在起点A小球处于不平衡状态，因此在内斜管上任何位置都是不平衡的，小球将做往复运动，最后停在处B，此题难以分析小球在各段的具体运动情况，把小球A点开始运动到B点停止，整个运动过程作为研究对象，用功能关系处理全过程。这种方法经常用于求解往复运动的问题。只要θθCABE判断哪些力做功与路径有关，哪些力功与路径无关，可以少列方程，使研究的问题更加简化。此题由于电场力和重力做功与路径无关，而摩擦力做功与路径有关，设小球运动的总路程为S，由动能定理得：gElsinθ-mglsinθ-fs=0（1）小球与管壁摩擦力为：f=μN（2）管壁对小球的支持力为：N=(qE-mg)cosθ（3）联立（1）、（2）、（3）式解得：S=ltgθ/μ例8如图（6）三只容器内都装有一些水，水面漂浮一块冰，（甲）图冰块中有一小块木材，（乙）图冰块中有一气泡，（丙）图冰块中包有一块铁，当冰块全部熔解后，容器内水面的高度有何变化呢？”分析与解:先分析（乙）图的情况，由于气体密度大约是液体或固体密度的千分之一，冰块中气泡的质量可忽略不计，那么含有气泡的冰块和实心冰块等效。根据物体的漂浮条件可知，冰块所受的浮力等于冰块的重力，由阿基米德定律可知，冰块受到的浮力等于它排开水的重力。那么冰块的重力就等于它排开水的重力，而冰块熔解成水后恰好填满它所排开水的空间，所以水面的高度不会发生变化。在（甲）图中，就冰块和木块作为一个整体，它们原先漂浮在水面上，则F浮=G冰+G木排开水的体积为V排=F浮/ρ水g=G冰/ρ水g+G木/ρ水g当冰块熔解后变为水，且重力不变，这部分水的体积为V水=G水/ρ水g这时木块单独排开水的体积为V排木=F浮木/ρ水g=G木/ρ水g这时水和木块排开水的总体积为图（6）丙乙甲V/排=V水+V排木=G水/ρ水g+G木/ρ水g=V排这说明：冰块中包含有密度比水的密度小的物质