整體法在物理教學(xué)中的應(yīng)用

1、整體法在物理教學(xué)中的應(yīng)用 摘要 本文首先闡述了整體法的內(nèi)涵和作用，討論了以研究對(duì)象為整體的對(duì)象整體法和以研究過(guò)程為整體的過(guò)程整體法在物理教學(xué)中的運(yùn)用。本文從物理學(xué)中的力學(xué)，電磁學(xué)，光學(xué)，熱學(xué)幾大門(mén)類分別舉例介紹整體法在物理教學(xué)中的應(yīng)用。另外還從整體法與隔離法的關(guān)系介紹了整體法的局限性，巧妙地介紹了怎樣克服整體法的局限性。關(guān)鍵詞 整體法 隔離法 物理教學(xué) 對(duì)于一些特定的物理問(wèn)題，需要特殊的解決方法.在長(zhǎng)期的實(shí)際中，我們已經(jīng)形成了一些特定的思維方式，總結(jié)出了一些特殊的解決方法。這些方式和方法對(duì)于解決這些特定的物理問(wèn)題，十分行之有效。學(xué)生掌握這些特殊的方法會(huì)提高他們解決物理問(wèn)題的能力，加快解決物理問(wèn)

2、題的速度，減少解決物理問(wèn)題的失誤，提高解決物理問(wèn)題的效率。 在物理教學(xué)活動(dòng)中，有很多特殊的方法和技巧，不可能一一枚舉，下面介紹具體代表性的整體法在物理教學(xué)中的應(yīng)用。 1整體法基本內(nèi)涵和作用 1.1整體法概念的建立 復(fù)雜的物理現(xiàn)象告訴我們?cè)谠S多情況下，部分不一定能夠代表整體的性質(zhì)，對(duì)于這樣的問(wèn)題可以用整體的思維方法去解決。 整體法是用整體的思維方法分析問(wèn)題，是以事物的系統(tǒng)作為研究對(duì)象，從整體或全過(guò)程去探索事物的規(guī)律，揭示事物的本質(zhì).在物理教學(xué)中，教師要注重培養(yǎng)學(xué)生用整體法分析物理問(wèn)題。在用整體法解決物理問(wèn)題時(shí)，可以選擇整個(gè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，稱為研究對(duì)象整體法；也可以從分析物理過(guò)程

3、的角度，可以選擇物理狀態(tài)變化的全過(guò)程進(jìn)行研究，稱為研究過(guò)程整體法。整體法從全局考慮問(wèn)題，高度凝練簡(jiǎn)潔，使要研究的問(wèn)題化繁為簡(jiǎn)，可以提高學(xué)生的解題技能，發(fā)展學(xué)生的思維能力。 兩個(gè)要研究的物理對(duì)象在局部比較具有相似性，但從整體上卻不具有相似性，例如描述地面上物體的運(yùn)動(dòng)情況以地球?yàn)閰⒄瘴锞涂梢粤?，而描述地球整體的運(yùn)動(dòng)情況則應(yīng)以太陽(yáng)作參照系為妥因此人們除了從部分出發(fā)運(yùn)用分析的方法認(rèn)識(shí)事物，還應(yīng)善于從整體出發(fā)運(yùn)用整體的思維方法認(rèn)識(shí)事物。尤其是對(duì)幾個(gè)相互作用的物體或相互有聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)過(guò)程所組成的系統(tǒng)，運(yùn)用整體思維分析這些物理問(wèn)題，從整體上把握研究對(duì)象的性質(zhì)效果較好。 我們把相互聯(lián)系的物體或相互聯(lián)系的過(guò)程為一

4、個(gè)整體的研究方法，稱為整體法。整體法的總思路是：把研究對(duì)象作為一個(gè)整體看待，立足于整體，來(lái)分析其部分以及部分與部分，部分與整體之間的關(guān)系。當(dāng)研究的問(wèn)題涉及整個(gè)物理過(guò)程時(shí)，通過(guò)對(duì)各個(gè)過(guò)程的分析，如能找出物體在各個(gè)過(guò)程所遵守的共同規(guī)律，則也可以把各個(gè)過(guò)程看作整體，一次性列出方程求解。在用整體法研究問(wèn)題時(shí)，只存在一個(gè)研究對(duì)象，只需要分析周?chē)h(huán)境對(duì)系統(tǒng)的整體法的作用，而不需要分析系統(tǒng)內(nèi)部的作用。 1.2培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用整體思維方法 在物理方法中，整體法是一種常用的較好的方法。在物理教學(xué)過(guò)程中，教師要重視整體法的應(yīng)用，用滲透科學(xué)的整體原理發(fā)展學(xué)生運(yùn)用整體法的思維能力。 教師在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用整體法解決物理問(wèn)題時(shí)

5、，要貫徹啟發(fā)式教學(xué)的指導(dǎo)思想，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)。同時(shí)還要注意整體法的一個(gè)重要特點(diǎn)多維性，當(dāng)我們確定了某一整體為研究對(duì)象之后，就必須對(duì)整體縱向與橫向、時(shí)間與空間、狀態(tài)與過(guò)程等等進(jìn)行多側(cè)面、多角度、全方位的思考，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合，達(dá)到對(duì)物理現(xiàn)象及過(guò)程的整體認(rèn)識(shí)，然后從已知條件出發(fā)，根據(jù)題設(shè)條件和所有已知量之間聯(lián)系建立起一系列等式，直到建立起和待求量有聯(lián)系的公式為止。 在教學(xué)過(guò)程中，教師要根據(jù)學(xué)生的這種思維能力貫穿在中學(xué)物理教學(xué)的全過(guò)程和各個(gè)方面。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)做出示范，有意思的從中學(xué)階段就注意培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行整體思考的習(xí)慣及正確運(yùn)用整體法的能力，這樣才能使學(xué)生運(yùn)用整體

6、法的能力得到較快的發(fā)展。 2整體法在教學(xué)中應(yīng)用 在物理方法中，整體法不失為一種常用的較好的方法，因題置宜地靈活應(yīng)用整體法，可以收到開(kāi)闊思路，簡(jiǎn)化計(jì)算，事半功倍的效果。在物理教學(xué)過(guò)程中教師應(yīng)積極引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生用整體法的思維考慮物理問(wèn)題。 2.1研究對(duì)象整體法 在解決物理問(wèn)題過(guò)程中，把涉及到的幾個(gè)研究對(duì)象看成一個(gè)整體，這類整體法叫做研究對(duì)象整體法。它涉及的研究對(duì)象少，不計(jì)物體間相互作用的內(nèi)力，在解題中能夠簡(jiǎn)化過(guò)程，易于理解。 2.1.1研究對(duì)象整體法在力學(xué)中的應(yīng)用 力學(xué)在物理學(xué)中具有重要地位，整體法在力學(xué)方面有其獨(dú)特的應(yīng)用。AB例1 如圖（1）A物重50N，B物重100N，A、B疊放在水平地面上，

7、求物體B對(duì)地面的壓力為多大？ 圖（1）分析與解 本題中我們要研究的對(duì)象有兩個(gè)：A物體和B物體。按照常規(guī)思維，放在B物體上的A物體重50N，B物體重100N，方向豎直向下，根據(jù)平衡力的知識(shí)：地面對(duì)B物體向上的支持力N=50N+100N=150N。力的作用是相互的，所以B物體對(duì)地面壓力是150N。如果我們將A物體和B物體看作一個(gè)“整體”，則A物體和B物體之間的作用力就是它們之間的內(nèi)力，不須加以分析，只要分析這個(gè)“整體”受外力的情況，由分析可知，這一“整體”共受兩個(gè)外力，重力地面對(duì)它向上的支持力，這兩個(gè)力為一對(duì)平衡力，所以支持力大小等于它們的總重力，N=GA+GB=50N+100N=150N。從而可

8、得B物體對(duì)地面的壓力為150N。 例2 某年某地區(qū)遭受了特大洪澇災(zāi)害，急需18h內(nèi)從甲地調(diào)動(dòng)65t鋼材至乙地，現(xiàn)僅剩一艘滿載時(shí)排水量為80t的貨船，船身質(zhì)量（包括船員）約17t，已知甲乙兩地水路距離為80，船行駛速度為10h，鋼材的密度為9103m，若不計(jì)水流速度。 (1)請(qǐng)你設(shè)計(jì)出完成此項(xiàng)任務(wù)的可行方案。 (2)通過(guò)分析、計(jì)算，找出最佳方案。 分析與解： 由題目設(shè)定的限制條件可知必須將65t鋼材一船運(yùn)走。而這么多鋼材又無(wú)法全部裝上船，因此必須將鋼材吊掛在水中，以減輕船的負(fù)擔(dān)。而鋼材吊掛在水中增大了前進(jìn)時(shí)受到的阻力，且不安全，因此吊掛在水中的鋼材應(yīng)盡可能的少些。本題所要求的最佳方案，即是要求出

9、至少將多大質(zhì)量的鋼材吊掛在水中一趟運(yùn)走。 假設(shè)鋼材已按最佳方法裝船。我們將船及所有的鋼材看作一個(gè)“整體”。這一整體在水中處于漂浮狀態(tài)，由漂浮條件可知：F浮=G船+G鋼材。又由阿基米德原理可知：F浮=G排。所以有G排=G船+G鋼材。兩邊同時(shí)除以g可得m排=m船+m鋼材=17t+65t=82t。輪船的最大排水量為80t。所以吊掛在水中的鋼材的排水量為m排=82t-80t=2t。所以被鋼材排開(kāi)水的體積V排=m排/水=2t/(1t/m3)，吊掛在水中鋼材的體積等于其排開(kāi)水的體積2m3 ，所以這部分鋼材的質(zhì)量為m鋼=鋼v排=9t/m32m3=8t。即最佳方案是鋼材吊掛在水中一趟運(yùn)走。 由此可見(jiàn)，在力學(xué)中

10、把要研究的幾個(gè)相互之間有一定聯(lián)系的對(duì)象看作一個(gè)“整體”，然后再對(duì)“整體”受力分析，不需要分析其內(nèi)容各對(duì)象之間的相互作用力，只要分析這一“整體”，受到外部對(duì)它的作用力，即外力。這就使得對(duì)物體的受力分析得到簡(jiǎn)化，進(jìn)而順利解決了問(wèn)題。 2.1.2 研究對(duì)象整體法在電磁學(xué)方面的應(yīng)用 整體法不僅在力學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，在電磁學(xué)中也有很多的應(yīng)用。對(duì)一些電磁學(xué)方面的問(wèn)題，可因題置宜地靈活應(yīng)用整體法，使問(wèn)題迎刃而解。 例2 如圖（2）兩條條形磁鐵圖(2)(a)懸掛時(shí)，上面繩子拉力為T(mén)，現(xiàn)將下面的一塊磁體的、極倒置仍懸掛在原處，如圖（b）則此時(shí)上面繩子的拉力為T(mén)，比較T與T的大小。 N SSNNSSN圖（2）TT

11、/分析與解: 粗看時(shí)，因兩磁鐵間由相吸改為相斥，下面一段繩子拉力要增加，但同時(shí)上面的磁體要受到下面磁體的向上的斥力作用，兩者共同作用難以比較。用整體法研究此問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，把兩磁體看作一個(gè)“整體”，前后兩次向下的力均只受重力的作用，所以T=T。 例4 如圖（3）（a）所示，電路中當(dāng)可變電阻的阻值增大時(shí)則（ ） 圖（3）A(a)R2R！rBARR(b)r A A 、 B兩點(diǎn)間的電壓U增大； B A 、 B兩點(diǎn)間的電壓U減少； C 通過(guò)的電流I增大； D 通過(guò)飛電流I減少； E 通過(guò)的電流I不變。 分析與解: 用整體法解本題的思路是：把圖中的虛線框內(nèi)各元件看作一個(gè)整體，并設(shè)框內(nèi)有電源，電動(dòng)勢(shì)，內(nèi)阻r

12、=R1+R2，則原題可轉(zhuǎn)化為圖（b）的電路，很容易判斷：當(dāng)R增大時(shí)，I減小，UAB增大，故A、D正確。 2.13研究對(duì)象整體法在光學(xué)中的應(yīng)用 在解決有些光學(xué)問(wèn)題時(shí)，可以從整體出發(fā)把握解題方向，以達(dá)到最佳的解題效果。 例5 由空氣射入玻璃，再由玻璃射入水中，又向空氣中射出，如圖（4）所示，光線將（） 圖（4）水玻璃空氣空氣A 空氣與玻璃交界面上發(fā)生全反射； B 在玻璃與水交界面上發(fā)生全反射； C 在水和空氣交界面上發(fā)生全反射； D 不會(huì)發(fā)生全反射。 分析與解: 從整體上看，空氣為光疏物質(zhì)，由空氣入射到其它介質(zhì)時(shí)，入射角不可能達(dá)到900，因此所以的折射角和入射角都不可能達(dá)到900，故在所以界面上都

13、不會(huì)發(fā)生全反射，故正確答案為（C）。 214研究對(duì)象整體法在熱學(xué)方面的應(yīng)用 對(duì)于一些熱學(xué)題目，往往給出的已知條件和要求解的問(wèn)題是未知量的組合，解題過(guò)程需要思維的跳躍，給學(xué)生帶來(lái)了解題的障礙。運(yùn)用整體法思考這類題目，能夠使學(xué)生易于理解題目，把握題旨，靈活應(yīng)用已有的知識(shí)解題，從而收到事半功倍的效果。 例6 據(jù)報(bào)道地球已有50億歲了，地球大氣外面是真空，太陽(yáng)天天照射地球，卻不見(jiàn)地球升溫熔化是何道理？ 分析與解: 從題并未明顯給出已知條件，但可把地球及大氣組成的整體作為研究對(duì)象，地球天天吸收太陽(yáng)能，若不放出熱量，地球肯定要不斷升溫，現(xiàn)在事實(shí)未見(jiàn)地球及周?chē)諝饷黠@升溫，可以肯定地球及大氣在吸收太陽(yáng)能的同

14、樣、同時(shí)也放出熱量。熱量傳遞方式有三種：對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射。因?yàn)榈厍虼髿馔獾恼婵諢o(wú)對(duì)流、傳導(dǎo)的可能，所以可以斷定：地球及大氣必定不斷向外輻射熱量，故不見(jiàn)地球升溫熔化。 2.2研究過(guò)程整體法 在物理解題過(guò)程中，把涉及到的幾個(gè)研究過(guò)程看作一個(gè)整體，叫做過(guò)程靜止整體法。研究物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以從全程出發(fā)，把握物體的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)各個(gè)過(guò)程的分析，找出各個(gè)過(guò)程所遵守的共同規(guī)律，一次性列出方程進(jìn)行求解。 例7 如圖（5）所示，一根對(duì)稱“”形玻璃管置于豎直平面內(nèi)，管所在空間有豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)E，帶正電q的小球在管內(nèi)從A點(diǎn)靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，且與管壁的動(dòng)摩擦因數(shù)為，小球在B端與管作用有能量損失，管與水平面間夾角為，AB長(zhǎng)

15、l，求從A開(kāi)始，小球靜止到運(yùn)動(dòng)的總路程是多少？ CABE圖 （5）分析與解 小球從A端開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后共受四個(gè)力作用，電場(chǎng)力qE，重力mg，管壁支持力N，摩擦力f。由于在起點(diǎn)A小球處于不平衡狀態(tài)，因此在內(nèi)斜管上任何位置都是不平衡的，小球?qū)⒆鐾鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，最后停在處B，此題難以分析小球在各段的具體運(yùn)動(dòng)情況，把小球A點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)停止，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程作為研究對(duì)象，用功能關(guān)系處理全過(guò)程。這種方法經(jīng)常用于求解往復(fù)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。只要判斷哪些力做功與路徑有關(guān)，哪些力功與路徑無(wú)關(guān)，可以少列方程，使研究的問(wèn)題更加簡(jiǎn)化。 此題由于電場(chǎng)力和重力做功與路徑無(wú)關(guān)，而摩擦力做功與路徑有關(guān)，設(shè)小球運(yùn)動(dòng)的總路程為S，由動(dòng)能定理得： g

16、Elsin-mglsin-fs=0 （1） 小球與管壁摩擦力為： f=N（2） 管壁對(duì)小球的支持力為： N=(qE-mg)cos （3） 聯(lián)立（1）、（2）、（3）式解得： S=ltg/ 例8 如圖（6）三只容器內(nèi)都裝有一些水，水面漂浮一塊冰，（甲）圖冰塊中有一小塊木材，（乙）圖冰塊中有一氣泡，（丙）圖冰塊中包有一塊鐵，當(dāng)冰塊全部熔解后，容器內(nèi)水面的高度有何變化呢？ ”圖（6）丙乙甲 分析與解: 先分析（乙）圖的情況，由于氣體密度大約是液體或固體密度的千分之一，冰塊中氣泡的質(zhì)量可忽略不計(jì)，那么含有氣泡的冰塊和實(shí)心冰塊等效。根據(jù)物體的漂浮條件可知，冰塊所受的浮力等于冰塊的重力，由阿基米德定律可知

17、，冰塊受到的浮力等于它排開(kāi)水的重力。那么冰塊的重力就等于它排開(kāi)水的重力，而冰塊熔解成水后恰好填滿它所排開(kāi)水的空間，所以水面的高度不會(huì)發(fā)生變化。 在（甲）圖中，就冰塊和木塊作為一個(gè)整體，它們?cè)绕≡谒嫔希瑒t F浮=G冰+G木 排開(kāi)水的體積為 V排=F浮/水g=G冰/水g+G木/水g 當(dāng)冰塊熔解后變?yōu)樗?，且重力不變，這部分水的體積為 V水=G水/水g 這時(shí)木塊單獨(dú)排開(kāi)水的體積為 V排木=F浮木/水g=G木/水g 這時(shí)水和木塊排開(kāi)水的總體積為 V/排=V水+V排木=G水/水g+G木/水g=V排 這說(shuō)明：冰塊中包含有密度比水的密度小的物質(zhì)時(shí)，冰塊熔解后水面保持不變，這一結(jié)論可推廣到很多情況，并作出

18、迅速判斷。 在（丙）圖中，將冰塊和鐵塊作為一個(gè)整體，它們所受總重力和總浮力平衡，當(dāng)冰熔解成水后，鐵塊沉入水底，這個(gè)整體除了受到重力和浮力外，還受到容器底部的支持力，因?yàn)橹亓Σ蛔儯厝桓×σ獪p小，所以水面會(huì)下降，這樣我們就將一個(gè)原來(lái)較為復(fù)雜的問(wèn)題變十分簡(jiǎn)便地求出答案。 整體法在另外一些情況下也能十分簡(jiǎn)便地求出答案。 例9 如圖（7）所示，在長(zhǎng)木條的底部粘一鐵塊，整體漂浮在水面上，當(dāng)沿水面把上部的木條鋸去后木條的狀態(tài)如何變化？圖（7）分析與解 木條和鐵塊這個(gè)整體重力和浮力平衡，將水面上的木條鋸去后，設(shè)木條位置不變，而重力變小了，木條的平衡就受到破壞，所以木條會(huì)上浮。 3整體法的局限性及其克服 3.

19、1整體法的局限性 在某些方面，整體法并不是萬(wàn)能的，它只在具有一定特征的問(wèn)題中適用。例如，牽涉到系統(tǒng)的內(nèi)力時(shí)，單純使用整體法往往解決不了問(wèn)題。在運(yùn)用整體法解決復(fù)雜的問(wèn)題時(shí)，可能要對(duì)某一具體的對(duì)象或過(guò)程進(jìn)行隔離出來(lái)， 3.2 整體法和隔離法 在運(yùn)用整體法解決復(fù)雜的問(wèn)題時(shí)，可能要對(duì)某一具體的對(duì)象或過(guò)程進(jìn)行隔離出來(lái)，以求使問(wèn)題解決的更加完美。隔離法是對(duì)系統(tǒng)的某一部分實(shí)施隔離，把它孤立出來(lái)作為研究對(duì)象的方法。被隔離的可以是研究對(duì)象，也可以是研究過(guò)程。采用隔離法的優(yōu)點(diǎn)在于可以將原屬于系統(tǒng)的內(nèi)力轉(zhuǎn)化為研究對(duì)象所受外力，可以將一個(gè)連續(xù)過(guò)程為若干個(gè)分過(guò)程研究，這樣可以使較復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為較為簡(jiǎn)單的問(wèn)題，使解題思

20、路明確，條理清晰。 在物理教學(xué)中隔離法可以彌補(bǔ)整體法的缺限，克服了整體法的局限性。但運(yùn)用隔離法分析物理問(wèn)題，這種方法常著眼于局部的研究，它很容易把本來(lái)互相聯(lián)系的事物一刀切，往往不易獲得關(guān)于物理現(xiàn)象和過(guò)程的全面認(rèn)識(shí)，并且容易養(yǎng)成一種孤立、片面看問(wèn)題的習(xí)慣，甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，在教學(xué)中對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題，可以把整體法和隔離法綜合運(yùn)用，加強(qiáng)學(xué)生在這方面的能力的培養(yǎng)，以求更好的解決問(wèn)題。 3.3整體法和隔離法的綜合應(yīng)用 對(duì)于有些物理問(wèn)題尤其是力學(xué)問(wèn)題，教師在講解的過(guò)程中往往只重視隔離法，而忽視了整體法的應(yīng)用。如對(duì)連接體問(wèn)題，通常用隔離法，這樣涉及物體研究對(duì)象少，未知量少，方程少，求解簡(jiǎn)便；不計(jì)物體間相互作用的內(nèi)力，或物體系統(tǒng)內(nèi)的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，一般首先考慮整體法。對(duì)于大多數(shù)力學(xué)問(wèn)題單純采用整體法并不一定能解決，通常采用整體法和隔離法相結(jié)合的地方。 例10 如圖（8）所示