物理与数学的有效整合研究

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  随着新课程改革的推进,教师的教学观念也发生了可喜的变化,各门学科自身领域的改革也在不断深入.物理与数学是高中阶段的两门重要学科.数学是物理学科的工具,同时也是物理学科的语言,它们互为关联.然而,由于受升学观念和学科课时安排、学科成绩考核等多种现实因素的制约,在实际的教学中,学科之间“各自为政”、“画地为牢”,从而造成了学生的片面发展.这与促进学生全面发展的现代教育趋势相背离,也与强调“联系”的认识论、强调“整体”的系统论相违背.教师必须彻底摒弃急功近利的应试教学的思想,打破“教材至上”、奉教参为“圣经”的观念,以整合的思想对自身学科进行重组加工,并寻求与相关学科进行更多的合作,从而减轻学生的学业负担,促进学生全面和谐地发展.
  1高中物理与数学新课程实施中的几个问题
  1.1教材内容的编排顺序不衔接
  现行新课程所使用的教材版本繁多,学科自身的知识体系不强,学科间缺乏联系,各学科之间知识的呈现顺序各不一致.如物理学科学习中需要用到的数学方法,在数学学科中还未涉及等等,给教师的教学带来很大的难度,给学生的学习也造成了障碍.
  1.2各门学科教师之间缺乏沟通
  由于受传统教学方式和学科课时安排、学科成绩考核等多种现实因素的制约,在实际的教学中,各门学科之间“各自为政”、“画地为牢”,“老死不相往来”,其后果是使我们的学科更加庞大,知识被切分得更加零散,不同学科、不同角度的观点,使学生无所适从,学习难度增加,负担加重,从而产生了厌学情绪.比如,在讲解《光的反射定律》时,物理老师强调事物的因果关系,不能说成“入射角等于反射角”,而要说“反射角等于入射角”;但数学老师只研究数量关系,可说成“入射角等于反题,
  射角”.再如,在讲电场强度公式E=F/q时,从数学角度可能说“电场强度跟力成正比,跟电荷量成反比”;但在物理学科中,这样说就错了,电场强度是电场的一种性质,只跟场源电荷及位置有关.数学作为工具,可用来解决科学中的许多问题,但是有时也必须受到物理概念和规律的制约,要注意数学工具在物理问题上的应用.
  2数学、物理学科整合的实践
  2.1适当调整教学内容
  现行新课程所使用的教材,学科自身的知识体系不强,学科间缺乏联系,而同一课程却涉及到了许多关联学科的综合的知识,这给我们的教和学生的学带来了很大的难度.因此,物理、数学老师应加强合作,在学期初进行讨论协商,合理安排教学内容和教学进度,使学科之间知识的呈现顺序适当调整,以解决学生学习中遇到的关联学科方面的困难.
  2.2巧用数学方法讲授物理概念、规律
  (1)巧妙地利用图象
  图象是数学的语言,图象法是在对自然现象或过程分析的基础上,运用相关的自然规律,确定变量之间的函数关系,作函数图象,再根据图象的意义讨论和解决问题的方法.高中物理中一些比较抽象的习题较难求解,若能与数学图形相结合,恰当地引入物理图象,则可变抽象为形象、化抽象为直观,便于突破难点、疑点,解题过程将大大简化,计算可快速便捷.
  例1从地面上以初速2v0竖直上抛物体A,相隔Δt时间后再以初速v0竖直上抛物体B.要使A、B在空中相遇,Δt应满足什么条件?
  解析如按通常情况,可依题意用运动学知识列方程求解,这是比较麻烦的.如换换思路,依据s=v0-12gt2作“s-t”图象,则可使解题过程大大简化.如图1所示,显然,两条图线的相交点表示A、B相遇,交点横坐标对应相遇时刻,纵坐标对应位移sA=sB.由图象可直接看出Δt满足关系式2v0g<Δt<4v0g时,A、B可在空中相遇.
  (2)运用几何方法进行计算
  利用几何方法解物理习题时,常用到的是对称点的性质、“两点间以直线之距离为最短”的几何公理、三角形中斜边大于直角边以及两三角形全等、相似等相关知识.
  例2如图2所示,轻绳的A端固定在天花板上,B端系一重为G的小球,小球静止在固定的大球表面上.已知AB绳长度为L,大球半径为R,天花板到大球顶点的竖直距离AC=d,∠ABO>90°,求绳中张力和大球对小球的支持力(小球直径不计).
  解析如图所示,利用力的合成的平行四边形定则,求出N与G的合力T′,则T′=T,由几何知识可知△AOB∽△BDE.这样,就可以利用三角形相似求出未知力.
  依三角形相似比有TL=Gd R=NR,
  解得T=Ld RG, N=Rd RG.
  有趣的是,如果缩短L,当小球在大球表面上移动的过程中,弹力N不变.
  (3)运用数学方法进行论证和推理
  在物理的教学中,有很多自然现象、规律,虽然可以从实验中得到结论,可是,学生却说不出其中的道理.老师也用很多方法对学生进行了认真的解释,但学生总是感到迷惑不解.
  例3在讲“并联电路的总电阻总小于任何一个分电阻”的时候,学生总是无法理解,即使老师反复讲“在材料、长度等相同的情况下,电阻的大小与导体的横截面积成反比;并联一个电阻,相当于增加了导体的横截面积”,还是有许多同学不太相信.这时,老师可以进一步用数学方法来加以证明:
  由I=I1 I2,I=UR,I1=U1R1,I2=U2R2,
  所以UR=U1R1 U2R2,
  又因为U=U1=U2,
  所以1R=1R1 1R2,
  1R=R1 R2R1R2,R=R1R2R1 R2,
  即R=R1(R1 R2)R2,
  因为R1R1 R2<1,所以R  所以并联电路的总电阻总小于任何一个分电阻.
  严密的数学证明胜过一切,使学生理解透彻、记忆深刻.
  所以学生听得连连点头,心服口服.
  (4)运用等效代换法巧解复杂问题.
  在问题比较复杂、不便于直接进行计算的时候,可以在保证研究对象的有关数据保持不变的前提下,用一个简单明了的问题代替原来复杂隐晦的问题,我们把这种方法叫做等效代换法.在解答物理习题中,应用这种方法可以提高想象能力和提高分析问题、解决问题的能力.
  例4如图3所示是一个由无限个阻值都为r的电阻器组成的电阻器网络,试问A、B间的总电阻多大?
  解析由于是无限个电阻,我们采用通常的方法显然无法解决,但我们可从“无限”这个概念入手,从中取出有限的几个,剩下的还应是无限个.因此,图中虚线CD右边的电阻网络也是无限的.也就是说,A、B间的电阻与C、D间的电阻值是相等的,设为R,这样图3就可以用图4作等效代替,于是
  R=r rRr R,
  即R2-rR-r2=0,
  解得R=(1±52)r,舍去负根,得(1 52)r.
  以上所述的数学思维方法运用在物理的教学中,对物理的理解、掌握及应用帮助极大,同时也培养了学生的数学运用能力,减轻了学生的学业负担,提高了学习的效率.学生得到了全面和谐的发展.所以我们要注重学科的整合、教师的合作,只有这样,新课程改革才能多一份保证,我们的教育才更有希望.
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