高中物理整體法與隔離法的教學(xué)難點(diǎn)及突破

PAGE1高中物理“整體法與隔離法”的教學(xué)難點(diǎn)及突破成都雙流中學(xué)1965年出生，1997年破格評(píng)為四川省最年輕的中學(xué)物理特級(jí)教師，現(xiàn)任職于成都雙流中學(xué)，雙流縣首批名教師工作室導(dǎo)師。1965年出生，1997年破格評(píng)為四川省最年輕的中學(xué)物理特級(jí)教師，現(xiàn)任職于成都雙流中學(xué)，雙流縣首批名教師工作室導(dǎo)師。摘要：本文先簡(jiǎn)要介紹了我國(guó)新課程改革的三維目標(biāo)及我工作室對(duì)物理科學(xué)方法教育的研究情況，然后就高中物理解決問(wèn)題的常用方法之一—整體法與隔離法進(jìn)行了教材解讀；結(jié)合高考試題舉例說(shuō)明這種方法的應(yīng)用，最后分析了教學(xué)難點(diǎn)所在，指出了整體法與隔離法的學(xué)習(xí)時(shí)序，最后給出了教學(xué)突破的策略。關(guān)鍵詞：整體法、隔離法，應(yīng)用難點(diǎn)，突破2003年國(guó)家教育部印發(fā)的《普通高中課程方案（實(shí)驗(yàn)）》中明確地把科學(xué)方法納入了課程目標(biāo)?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)》的總目標(biāo)之一是：“學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法、發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力、養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣、能運(yùn)用物理知識(shí)和科學(xué)探究方法解決一些問(wèn)題”。新課程標(biāo)準(zhǔn)把科學(xué)方法確定為普通高中物理教學(xué)內(nèi)容的一部分，充分體現(xiàn)了新課程改革對(duì)科學(xué)方法教育的重視。新課程改革還明確提出了三維目標(biāo)：知識(shí)與技能，過(guò)程與方法，情感、態(tài)度與價(jià)值觀?？梢?jiàn)在高中物理新課程改革中“過(guò)程與方法”已成為廣大物理教育工作者必須面對(duì)的課程目標(biāo)，成為高中物理教學(xué)研究中的一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。盡管普通高中課程改革進(jìn)行了多年，但是“過(guò)程與方法”這一目標(biāo)的落實(shí)仍然有很大的差距，重知識(shí)輕方法的現(xiàn)象還普遍存在。因此，我校于2011年成功申報(bào)了成都市高中課改專項(xiàng)課題《科學(xué)方法教育在中學(xué)物理教學(xué)中的實(shí)施研究》成都市教育局2010年教育科研課題，編號(hào)2010-88號(hào)。，課題開(kāi)展兩年多來(lái)，已取得了初步的成果。通過(guò)研究，我們發(fā)現(xiàn)物理教材中蘊(yùn)含了豐富的科學(xué)方法和科學(xué)思想。按照層級(jí)劃分，國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者把這些科學(xué)方法劃分為三個(gè)層次：一是哲學(xué)層面的科學(xué)方法，它是指導(dǎo)一切科學(xué)研究的基本方法，是馬克思主義的世界觀和方法論。如世界是物質(zhì)的，規(guī)律是客觀的，人具有主觀能動(dòng)性，真理具有相對(duì)性等基本觀點(diǎn)和方法，作為高中物理教學(xué)應(yīng)慢慢地滲透。二是一般科學(xué)研究方法，如比較法，歸納法與演繹法、分析法與綜合法，觀察法與實(shí)驗(yàn)法，這些方法貫穿于整個(gè)自然科學(xué)研究中。成都市教育局2010年教育科研課題，編號(hào)2010-88號(hào)。我們認(rèn)為可以把高中物理教材中蘊(yùn)含的科學(xué)方法分為獲取知識(shí)的方法和解決問(wèn)題的方法兩大類。物理概念建立、規(guī)律獲得的方法往往就是知識(shí)獲取的方法。它又分為：觀察法、實(shí)驗(yàn)法、歸納與演繹法、類比法、理想模型法等。掌握了這些方法就等于掌握了科學(xué)研究的一般方法，這些方法對(duì)學(xué)生今后進(jìn)入高校的學(xué)習(xí)、從事科學(xué)研究都非常有益。高中物理教學(xué)的另一重要任務(wù)就是培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，而解決問(wèn)題總是要“依法而行”、“有法可依”。這些方法就是問(wèn)題解決的科學(xué)方法，而且對(duì)學(xué)生而言，這些問(wèn)題解決的科學(xué)方法與獲取物理規(guī)律的方法同等重要。因?yàn)檫@些方法的掌握有利于學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，也有利于學(xué)生獲得良好的學(xué)習(xí)成績(jī)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，保持學(xué)生進(jìn)一步探索物理奧秘的激情。在高中物理必修一、必修二（以教育科學(xué)出版社的教材為例）的教材解讀和教學(xué)實(shí)際中，我們發(fā)現(xiàn)教材中明確要求學(xué)生掌握的解決問(wèn)題的科學(xué)方法有：圖象法、正交分解法、等效法、微元法。解決物理問(wèn)題常用的整體法、隔離法教材卻一處也沒(méi)有涉及。那么，整體法與隔離法的教學(xué)如何實(shí)施？它的難點(diǎn)如何突破？本文結(jié)合課題的研究進(jìn)行探討。一、解讀“整體法與隔離法”1.教材解讀：在教科版高中物理教材必修一第三章第五節(jié)《牛頓定律的應(yīng)用》中有一大類問(wèn)題——連接體問(wèn)題，這類問(wèn)題必然要用到整體法與隔離法，在第四章《物體的平衡》中涉及到多個(gè)物體的平衡及相互作用力時(shí)也要用到這種方法。為了降低難度，教材并沒(méi)有直接介紹整體法與隔離法，教材第一章《運(yùn)動(dòng)的描述》也沒(méi)有介紹豎直上拋運(yùn)動(dòng)。豎直上拋運(yùn)動(dòng)是先勻減速再勻加速的勻變速直線運(yùn)動(dòng)，全過(guò)程看是勻變速直線運(yùn)動(dòng)。一些老師在介紹完勻變速直線運(yùn)動(dòng)后講解了這一運(yùn)動(dòng)，并把全過(guò)程作為整體進(jìn)行求解。這里把多過(guò)程作為整體進(jìn)行研究的方法也是整體法的應(yīng)用，這種處理方法學(xué)生的接受難度比較大，加上位移、速度、加速度的矢量性學(xué)生更難以接受，建議不要輕易加入，以免增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。教材必修二有四章內(nèi)容：第一章《拋體運(yùn)動(dòng)》、第二章《圓周運(yùn)動(dòng)》、第三章《萬(wàn)有引力》、第四章《功與機(jī)械能》，教材正文、拓展空間、習(xí)題沒(méi)有一處介紹整體法與隔離法，就是動(dòng)能定理應(yīng)用于多過(guò)程問(wèn)題、系統(tǒng)機(jī)械能守恒問(wèn)題教材也沒(méi)有涉及。2.整體法與隔離法的基礎(chǔ)知識(shí)隔離法就是將研究對(duì)象從其周圍的環(huán)境中隔離出來(lái)單獨(dú)進(jìn)行研究的方法，這里研究對(duì)象可以是一個(gè)物體，也可以是物體的一部分，廣義的隔離法還包括將一個(gè)物理過(guò)程從全過(guò)程中隔離出來(lái)。整體法是將幾個(gè)物體看作一個(gè)整體，或?qū)讉€(gè)物理過(guò)程作為一個(gè)整體來(lái)研究的方法。隔離法和整體法看上去相互對(duì)立，但兩者在本質(zhì)上是統(tǒng)一的，因?yàn)閷讉€(gè)物體看作一個(gè)整體之后，還是要將它們與周圍的環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)的。整體其實(shí)是更大系統(tǒng)的一部分。這兩種方法廣泛地應(yīng)用在受力分析、牛頓定律、動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒、功能關(guān)系、電磁學(xué)等物理問(wèn)題中。整體法與隔離法的系統(tǒng)論依據(jù)系統(tǒng)論由美籍奧地利人、理論生物學(xué)家L.V.貝塔朗菲（L.Von.Bertalanffy）創(chuàng)立，它不僅是反映客觀規(guī)律的科學(xué)理論，而且還具有科學(xué)方法論的重要意義。系統(tǒng)論的核心思想是系統(tǒng)的整體觀念。系統(tǒng)論認(rèn)為：一個(gè)系統(tǒng)是由多個(gè)相互聯(lián)系的部分組成的，部分之間不是孤立的，正是部分之間的有機(jī)聯(lián)系才組成了一個(gè)功能更為強(qiáng)大的整體。物理學(xué)所研究的整體往往是多對(duì)象的集合或多過(guò)程的集合。研究多對(duì)象的集合或多過(guò)程的集合就是整體法，研究集合中的部分就是隔離法。因此，系統(tǒng)理論正是物理學(xué)中整體法、隔離法的理論依據(jù)。臺(tái)灣大學(xué)著名哲學(xué)家傅佩榮在《哲學(xué)與人生》一書(shū)中指出，要提升哲學(xué)素養(yǎng)，首要的任務(wù)就是要樹(shù)立整體的觀點(diǎn)，把人生看成一個(gè)整體，要著眼于人生的幸福，因此不能地份計(jì)較一時(shí)一事的得失?？梢?jiàn)，整體法與隔離法不僅是物理學(xué)的典型方法，更是自然科學(xué)研究的基本觀點(diǎn)，也是人生觀、價(jià)值觀、世界觀的核心觀點(diǎn)。高中物理中整體法與隔離法的應(yīng)用整體法與隔離法在高中物理中應(yīng)用非常廣泛，具體有：平衡問(wèn)題、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、能量問(wèn)題、動(dòng)量守恒問(wèn)題等，下面舉例說(shuō)明。用整體法隔離法解決平衡問(wèn)題平衡問(wèn)題是高中物理一大類問(wèn)題，高考每年必考。例1：（2011海南）如圖，粗糙的水平地面上有一斜劈，斜劈上一物塊正在沿斜面以速度v0勻速下滑，斜劈保持靜止，則地面對(duì)斜劈的摩擦力（)A.等于零B.不為零，方向向右C.不為零，方向向左D.不為零，v0較大時(shí)方向向左，v0較小時(shí)方向向右解析：將斜劈和物塊看成整體（系統(tǒng)），系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，系統(tǒng)豎直方向只受重力、支持力而平衡，水平方向不受力。地面對(duì)斜劈的摩擦力為零，選A。點(diǎn)評(píng)：當(dāng)系統(tǒng)中每一個(gè)物體都處于平衡（勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止）時(shí)，系統(tǒng)必處于平衡狀態(tài)。求解系統(tǒng)與外界的相互作用力時(shí)應(yīng)用整體法，其優(yōu)點(diǎn)在于：以整體為研究對(duì)象，不考慮內(nèi)部物理間的相互作用。求系統(tǒng)內(nèi)部物體間的相互作用時(shí)應(yīng)用隔離法，把內(nèi)力轉(zhuǎn)化成外力。用整體法與隔離法解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題例2：（2011天津）．如圖所示，A、B兩物塊疊放在一起，在粗糙的水平面上保持相對(duì)靜止地向右做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中B受到的摩擦力（）A．方向向左，大小不變 B．方向向左，逐漸減小C．方向向右，大小不變 D．方向向右，逐漸減小解析：本題屬于牛頓運(yùn)動(dòng)定律的簡(jiǎn)單應(yīng)用。方法就是整體法與隔離法。對(duì)于多個(gè)物體組成的物體系統(tǒng)，若系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)物體具有相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)優(yōu)先選取整體法分析，再采用隔離法求解。取A、B系統(tǒng)整體分析有，a=μg，B與A具有共同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，取B為研究對(duì)象，由牛頓第二定律有：，物體B做速度方向向右的勻減速運(yùn)動(dòng)，故而加速度方向向左。答案：A3.應(yīng)用整體法與隔離法解決電學(xué)中的動(dòng)態(tài)平衡的問(wèn)題AB例3：（2009年成都市高中二診題）：豎直墻面與水平面均光滑絕緣，A、B兩小球帶同種電荷，用水平向右的拉力作用在小球A上，在圖示位置兩小球均靜止?，F(xiàn)將A小球向右緩慢拉動(dòng)一小段距離后，兩小球重新達(dá)到平衡，若前后兩次平衡狀態(tài)下，水平拉力分別為F1、F2，A、B間的庫(kù)侖力為F庫(kù)1、F庫(kù)2，地面對(duì)A的支持力為FA1、FA2，墻對(duì)B的作用力為FB1、FB2ABA.F庫(kù)1<F庫(kù)2B.F1>F2C.FA1<FA2D.FB1=FB2本題是一道考查整體法與隔離法的絕佳的好題。首先應(yīng)用整體法。將兩小球看成系統(tǒng)，通過(guò)受力分析，不考慮兩小球間的庫(kù)侖力，由平衡條件可知：地面對(duì)A的支持力等于兩小球的重力，大小不變，C錯(cuò)。同時(shí)，墻對(duì)B的支持力FB等于水平向右的拉力F。再隔離B進(jìn)行研究，取極限情況，若把A拉到墻角，墻對(duì)B的支持力FB變?yōu)?，B錯(cuò)。同時(shí)庫(kù)侖力變小。故選B。4.用整體法解決多過(guò)程力學(xué)綜合問(wèn)題。例4：（2011全國(guó)卷1）．質(zhì)量為M、內(nèi)壁間距為L(zhǎng)的箱子靜止于光滑的水平面上，箱子中間有一質(zhì)量為m的小物塊，小物塊與箱子底板間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ。初始時(shí)小物塊停在箱子正中間，如圖所示。現(xiàn)給小物塊一水平向右的初速度v，小物塊與箱壁碰撞N次后恰又回到箱子正中間，井與箱子保持相對(duì)靜止。設(shè)碰撞都是彈性的，則整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)損失的動(dòng)能為（）A．B．C．D．解析：兩物體最終速度相等設(shè)為u由動(dòng)量守恒得：mv=(m+M)u,系統(tǒng)損失的動(dòng)能為：系統(tǒng)損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能Q=fs=能量轉(zhuǎn)化是一個(gè)過(guò)程，將多過(guò)程看成整體，可以不管中間的細(xì)節(jié)，只管系統(tǒng)的初末狀態(tài)，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。用整體法解決能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題。能量轉(zhuǎn)化與守恒定律是自然界的普適定律。它的研究對(duì)象小至幾個(gè)物體構(gòu)成的整體，大到整個(gè)自然界。機(jī)械能守恒定律是小范圍內(nèi)的能量守恒，條件更為苛刻。例5：如圖所示，在豎直方向上A、B兩物體通過(guò)勁度系數(shù)為k的輕質(zhì)彈簧相連，A放在水平地面上；B、C兩物體通過(guò)細(xì)繩繞過(guò)輕質(zhì)定滑輪相連，C放在固定的光滑斜面上．用手拿住C，使細(xì)線剛剛拉直但無(wú)拉力作用，并保證ab段的細(xì)線豎直、cd段的細(xì)線與斜面平行．已知A、B的質(zhì)量均為m，C的質(zhì)量為4m，重力加速度為g，細(xì)線與滑輪之間的摩擦不計(jì)，開(kāi)始時(shí)整個(gè)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)．釋放C后它沿斜面下滑，A剛離開(kāi)地面時(shí)，B獲得最大速度，求：(1)從釋放C到物體A剛離開(kāi)地面時(shí)，物體C沿斜面下滑的距離.(2)斜面傾角．(3)B的最大速度vBm．解析：（1）、（2）問(wèn)的解析略去。（3）A、B、C及彈簧作為系統(tǒng)，系統(tǒng)機(jī)械能守恒。C下移，B上升，A沒(méi)有動(dòng)。彈簧的彈性勢(shì)能不變。C減少的重力勢(shì)能必等于B增加的重力勢(shì)能、A與B增加的動(dòng)能。（）整體法與隔離法的思維難點(diǎn)整體法與隔離法在整個(gè)高中物理中應(yīng)用極其廣泛，歷年的高考題中都有考查。但是學(xué)生普遍掌握得不好，究竟難在哪里？一難：什么情況下能夠看成整體？研究對(duì)象的選取對(duì)問(wèn)題的解決至關(guān)重要。研究對(duì)象取得好，問(wèn)題可能迎刃而解，否則事倍功半。對(duì)平衡問(wèn)題、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題（求解力與加速度），如果多個(gè)相互聯(lián)系的物體（繩連接、疊放在一起、緊靠在一起）各自的加速度相同，則可看成整體（系統(tǒng)）。在求解能量問(wèn)題時(shí)，相互聯(lián)系的多個(gè)物體也可看成系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)一種形式的能量減少了，必有另外一種或多種形式的能量增加，總的能量要守恒。對(duì)多過(guò)程運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，如果各過(guò)程適用的規(guī)律相同，則可以嘗試將多過(guò)程看成一個(gè)整體，用初末狀態(tài)求解。二難：先用整體法還是先用隔離法？對(duì)于動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和平衡問(wèn)題，如果求相互間的作用力一般要整體后隔離。如果部分的運(yùn)動(dòng)情況已知條件很充分，可以先隔離。有時(shí)，整體法與隔離法聯(lián)合起來(lái)使用，這就看具體情況了。三難：動(dòng)能定理應(yīng)用于多過(guò)程時(shí)，總功的求解、初末狀態(tài)的選取是其難點(diǎn)。對(duì)于多過(guò)程，如何求解各個(gè)過(guò)程外力所做的功從而計(jì)算總功，特別是變力做功、功的正負(fù)是學(xué)生常常遇到的困難，初末狀態(tài)的選取對(duì)解題的繁簡(jiǎn)程度有重大影響，選得好步驟少、方程個(gè)數(shù)少、解題速度快，效率高。四難：系統(tǒng)機(jī)械能守恒如何判斷？對(duì)于多個(gè)物體所組成的系統(tǒng)，機(jī)械能是否守恒？學(xué)生往往感到難以判斷。判斷后，哪些形式的能量減少了，哪些形式的能量增加了，如何表達(dá)它們，如何列方程，這些環(huán)節(jié)都有難度。五難：對(duì)于力學(xué)綜合問(wèn)題，涉及的物理概念、規(guī)律多，知識(shí)的欠缺和漏洞又是一大障礙。一道力電綜合題，往往涉及多個(gè)物體、多個(gè)過(guò)程，要成功解決這些綜合問(wèn)題往往涉及很多物理概念與規(guī)律，概念理解的偏差，物理規(guī)律的選擇也是難點(diǎn)。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，如果一個(gè)力分析錯(cuò)了，規(guī)律選擇不合適，一個(gè)符號(hào)錯(cuò)了，都將導(dǎo)致結(jié)果的全盤(pán)錯(cuò)誤。整體法與隔離法的教學(xué)突破1、認(rèn)識(shí)整體法與隔離法教學(xué)的“序”。循序漸進(jìn)是教學(xué)的基本原則。整體法與隔離法的教學(xué)也不例外。在整個(gè)高中物理教學(xué)中如何教授整體法、隔離法，首先要有正確認(rèn)識(shí)“序”，才能依次遞進(jìn)，逐步深入，最后達(dá)到熟練掌握。必修一《牛頓第二定律的應(yīng)用》首次引入整體法與隔離法，必修一《平衡條件的應(yīng)用》讓學(xué)生第二次接觸，初步體會(huì)整體法與隔離法的奇妙，初步掌握整體法與隔離法的解題步驟，如什么時(shí)候用整體法，什么時(shí)候用隔離法有所感悟。必修二《動(dòng)能定理的應(yīng)用》讓學(xué)生首次接觸多過(guò)程應(yīng)用整體法，某一子過(guò)程應(yīng)用隔離法。在這里，最好先讓學(xué)生熟悉隔離法，再接觸整體法，體會(huì)整體法的巧妙。必修二《機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用》，涉及系統(tǒng)的機(jī)械能守恒，這里多舉例說(shuō)明如何判斷系統(tǒng)的機(jī)械能守恒：系統(tǒng)內(nèi)只有動(dòng)能、勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，沒(méi)有其它形式的能量與機(jī)械能發(fā)生轉(zhuǎn)化。學(xué)生還不適應(yīng)用能量觀點(diǎn)解題，因此開(kāi)始涉及的問(wèn)題要簡(jiǎn)單，要由淺入深，慢慢增加難度。選修3-1《庫(kù)侖定律》、《電場(chǎng)力》學(xué)習(xí)后，涉及電場(chǎng)力的平衡、運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，再進(jìn)一步鞏固整體法、隔離法?！峨妱?shì)能》學(xué)習(xí)過(guò)后，涉及動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、電勢(shì)能等多種形式的相互轉(zhuǎn)化，可以深化能量觀點(diǎn)及整體法、隔離法的應(yīng)用。選修3-2《安培力》、《洛侖滋力》、《電磁感應(yīng)》學(xué)習(xí)后，再深化動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、平衡問(wèn)題、系統(tǒng)能量問(wèn)題，多次練習(xí)使用整體法、隔離法，反復(fù)循環(huán)，讓學(xué)生一步一步地掌握整體法隔離法，建立整體思想。選修3-4《振動(dòng)與波》學(xué)習(xí)過(guò)程中，可以結(jié)合多物體一起振動(dòng)再鞏固整體法、隔離法。選修3-5《動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律》，必將涉及系統(tǒng)，進(jìn)一步應(yīng)用整體法、隔離法，這里涉及到矢量的方向性，難度更大，注意由淺入深加深對(duì)這兩種方法的理解。2、把握好“度”。人生最大的智慧就是凡事把握好“度”，度就是事物保持某一性質(zhì)的量的變化范圍。超過(guò)這一范圍事物的性質(zhì)就會(huì)發(fā)生根本的變化。整體法與隔離法的教學(xué)，一開(kāi)始接觸一定不能太難，環(huán)節(jié)不能太多，要讓學(xué)生一小步一小步前進(jìn)，設(shè)置問(wèn)題要在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，否則就會(huì)挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。方法的掌握要讓學(xué)生經(jīng)歷幾個(gè)過(guò)程?！拔颉保航榻B完一種方法，一定要讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)這種方法的關(guān)鍵在哪里？好處是什么？要領(lǐng)是什么？條件是什么？解題步驟是什么？學(xué)生要能清