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物理中的分类讨论是指将所求问题按某一标准进行分类,然后对划分的每一类进行求解,得出每一类的结论,最后综合各类结论得到整个问题的解答.分类讨论可以使复杂的问题得到清晰、完整、严密的解答;还可以通过分类讨论,消除学生头脑中的片面观点,培养学生的发散性思维,所以在教学中针对一些重难点问题,适当增加一些分类讨论题,是很有必要的.
但是利用分类讨论解决问题时要做到分类标准统一,分层次,不重复,不遗漏;进行分类之后还需要一一解答,这样就难免使问题的解决过程变得繁琐冗长.因此,我们又希望在解题过程中避免分类讨论.本文旨在结合一些具体的例题,谈一谈在物理教学中避免分类讨论的一些小技巧.
1洞悉本质、抓住关键,避免分类讨论
每一类问题都有其常规解法,但是任何一道题目也都有其特殊性,如果能抓住题目的特殊性,洞悉本质、关键,可能会找到简洁、快速的解法,以避免不必要的麻烦.
例题1(单选)如图1所示,足够长的绝缘粗糙直棒,竖直放置在有水平向右的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场中.棒上套着一个质量为m、带电量为 q可上滑的小球,现让小球以某一速度上滑,上滑的过程中一定有
A.小球加速度一直减小
B.小球速度先减小,最后匀速
C.杆对小球的弹力一直减少
D.小球所受洛伦兹力一直减小
解析常规解法是分为qvB>qE,qvB≤qE两类讨论.若qvB>qE,速度减小,洛伦兹力减小,FN向右并减小,加速度减小,小球做加速度减小的减速运动;若qvB≤qE,速度减小,洛伦兹力减小,FN向左并增大,加速度增大,小球做加速度增大的减速运动,故D正确.但是如果看到该题的特殊性,发现上述的分类讨论没有必要.因为本题是单选题,只有一个选项正确,而且在上升的过程中,摩擦力和重力都向下,与运动方向相反,所以必定是减速运动,洛伦兹力减小.
2任意假设、结果检验,避免分类讨论
有一些问题,例如轻杆连着小球在竖直平面内做圆周运动,要求最高点杆对小球的作用力,通常是按小球的速度不同,分为四类:
(1)小球能通过最高点的临界条件:v=0,FN=mg(FN为支持力);
(2)当0 (3)当v=gR时,有mg=mv2R(FN=0);
(4)当v>gR时,有FN mg=mv2R(FN为拉力).
然后将题干中所提供的数据一一比照,确定所处类型,再进行求解.仔细分析会发现可采用较为简单的处理方法,先任意假设,再带入相应公式计算,从得出的结果分析受力特征,这样可以避免分类讨论.
例题2如图2所示,长度为l=0.5 m轻杆的一端连着一个小球在竖直平面内做圆周运动,其质量为m=3.0 kg,通过最高点时小球的速率是2 m/s,则杆对球的作用力为
A.杆对球为支持力,大小24 N
B.杆对球为支持力,大小6 N
C.杆对球为拉力,大小24 N
D.杆对球为拉力,大小6 N
解析假设杆对球的作用力为拉力,大小为FN,小球在竖直平面内做圆周,向心力由mg与FN的合力提供:
mg FN=mv2R,
代入数据得FN=-6 N,由计算结果说明杆对球的作用力为支持力,大小为6 N.
3转换思维、以果索因,避免分类讨论
逆向思维也叫求异思维,是朝着与固定的思维方向相反的方向思索,对于某些问题,尤其是一些特殊问题,从结论往回推,倒过来思考,从求解回到已知条件,或许会使问题简单化.
例题3(选修3-1第9页第1题)有三个完全一样的金属球,A球电荷量为q,A均不带电,现要使B球电荷量为3q8,应该怎么办?
解析A球带电量为q,B、C不带电,要使B的电量为3q8,可以(1)B与A接触,C与A接触,再让B与C或A接触;(2)B与A接触,C与B接触,再让B与A接触;(3)C与A接触,B与A接触,再让B与C接触;(4)C与A接触,B与C接触,再让B与A接触.从结果反推,使思路更加清楚,也避免了分类讨论.
4高度总结、形成定论,避免分类讨论
在平时的练习中,如果能够对某些必须要分类讨论的问题进行高度总结,形成一般规律、结论,那么在遇到相类似的问题就可以直接引用,避免分类讨论所带来的麻烦.
例题4下列各组共线的三个自由电荷,可以平衡的是
A.4Q4Q4QB.4Q-5Q3Q
C.9Q-4Q36QD.-4Q2Q-3Q
解析三个自由点电荷共线平衡问题有如下特点:
(1)三个点电荷电性必为“两同夹异”.即两边电荷与中间电荷的电性相反.
(2)三个点电荷电荷量必为“两大夹小”,即放在中间的电荷B电量最小.
(3)三个点电荷位置必为“近小远大”,即中间电荷靠近电量较小电荷.
(4)三个点电荷共线平衡电荷量的关系是Q外1Q外2=Q内Q外1 Q内Q外2.
所以由“两同夹异”排除A项,由“两大夹小”排除B项,由三个点电荷共线平衡电荷量的关系Q外1Q外2=Q内Q外1 Q内Q外2可判断答案D错C正确.
例题5一列简谐横波在t=0时刻的波形如图3中的实线所示,t=0.02 s时刻的波形如图中虚线所示.若该波的周期T大于0.02 s,则该波的传播速度可能是
A.2 m/sB.3 m/sC.4 m/sD.5 m/s
解析常规解法是分为波向右传播、波向左传播两类讨论,
如波向右传播:
Δt=4n 14T=2×2n 14T, 如波向左传播:
Δt=4n 34T=2×(2n 1) 14T.
可以求出波速3 m/s,如果仔细分析一下,可由数学知识得到,可以用一个通式把上两式表述出来即
Δt=2m 14Tm=0,1,2,3,…
如果在计算过程中用公式Δt=2m 14T代替上面两个式子,可以避免分类讨论.
5画出图象、获得信息,避免分类讨论
例题6t=0时以30 m/s初速度竖直上抛出一个小球,以后每隔1 s钟以同样的速度竖直抛出一球,空气阻力忽略不计,空中各个球不会相碰.问第一个小球抛出,它在哪些时刻和以后抛出的小球在空中相遇?(g=10 m/s2)
解析设第n个小球在Δt时间后抛出,t为第一个小球和Δt后抛出的小球在空中相遇的时刻,则在某一时刻t这两个球的位移分别为
s=v0t-12gt2,
s′=v0(t-Δt)-12g(t-Δt)2,
两小球在空中相遇位移相等,即
v0t-12gt2=v0(t-Δt)-12g(t-Δt)2,
整理得t=12Δt v0g.
当Δt=1 s时,t=(12×1 3010) s 3.5 s,这是与第二个小球相遇而过的时刻;
当Δt=2 s时,t=(12×2 3010) s=4 s,这是与第三个小球相遇而过的时刻;
当Δt=3 s时,t=(12×3 3010) s=4.5 s,这是与第四个小球相遇而过的时刻;
当Δt=4 s时,t=(12×4 3010) s=5 s,这是与第五个小球相遇而过的时刻;
当Δt=5 s时,t=(12×5 3010) s=5.5 s,这是与第六个小球相遇而过的时刻.
除上述分类讨论的算法之外,还可用图象法解决.根据题意,定性画出h-t图象,如图4所示,根据各球图象的交点及相应的坐标,可得:第一个小球在空中与5个小球相遇,依次是t1=3.5 s,t2=4 s,t3=4.5 s,t4=5 s,t5=5.5 s.采用图象问题迎刃而解,可以避免分类讨论.
分类讨论思想对于培养学生思维的条理性和深刻性有着重要的作用,其思想对于启迪学生的思维是其他思想方法无法替代的,一直倍受命题者的青睐.可是有些分类讨论问题,若能认真地挖掘一下题目内在的特殊性,灵活地运用解题策略和方法,有时可简化或避免分类讨论,使解题过程简捷且降低问题难度,提高解题的效率和质量.
但是利用分类讨论解决问题时要做到分类标准统一,分层次,不重复,不遗漏;进行分类之后还需要一一解答,这样就难免使问题的解决过程变得繁琐冗长.因此,我们又希望在解题过程中避免分类讨论.本文旨在结合一些具体的例题,谈一谈在物理教学中避免分类讨论的一些小技巧.
1洞悉本质、抓住关键,避免分类讨论
每一类问题都有其常规解法,但是任何一道题目也都有其特殊性,如果能抓住题目的特殊性,洞悉本质、关键,可能会找到简洁、快速的解法,以避免不必要的麻烦.
例题1(单选)如图1所示,足够长的绝缘粗糙直棒,竖直放置在有水平向右的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场中.棒上套着一个质量为m、带电量为 q可上滑的小球,现让小球以某一速度上滑,上滑的过程中一定有
A.小球加速度一直减小
B.小球速度先减小,最后匀速
C.杆对小球的弹力一直减少
D.小球所受洛伦兹力一直减小
解析常规解法是分为qvB>qE,qvB≤qE两类讨论.若qvB>qE,速度减小,洛伦兹力减小,FN向右并减小,加速度减小,小球做加速度减小的减速运动;若qvB≤qE,速度减小,洛伦兹力减小,FN向左并增大,加速度增大,小球做加速度增大的减速运动,故D正确.但是如果看到该题的特殊性,发现上述的分类讨论没有必要.因为本题是单选题,只有一个选项正确,而且在上升的过程中,摩擦力和重力都向下,与运动方向相反,所以必定是减速运动,洛伦兹力减小.
2任意假设、结果检验,避免分类讨论
有一些问题,例如轻杆连着小球在竖直平面内做圆周运动,要求最高点杆对小球的作用力,通常是按小球的速度不同,分为四类:
(1)小球能通过最高点的临界条件:v=0,FN=mg(FN为支持力);
(2)当0
(4)当v>gR时,有FN mg=mv2R(FN为拉力).
然后将题干中所提供的数据一一比照,确定所处类型,再进行求解.仔细分析会发现可采用较为简单的处理方法,先任意假设,再带入相应公式计算,从得出的结果分析受力特征,这样可以避免分类讨论.
例题2如图2所示,长度为l=0.5 m轻杆的一端连着一个小球在竖直平面内做圆周运动,其质量为m=3.0 kg,通过最高点时小球的速率是2 m/s,则杆对球的作用力为
A.杆对球为支持力,大小24 N
B.杆对球为支持力,大小6 N
C.杆对球为拉力,大小24 N
D.杆对球为拉力,大小6 N
解析假设杆对球的作用力为拉力,大小为FN,小球在竖直平面内做圆周,向心力由mg与FN的合力提供:
mg FN=mv2R,
代入数据得FN=-6 N,由计算结果说明杆对球的作用力为支持力,大小为6 N.
3转换思维、以果索因,避免分类讨论
逆向思维也叫求异思维,是朝着与固定的思维方向相反的方向思索,对于某些问题,尤其是一些特殊问题,从结论往回推,倒过来思考,从求解回到已知条件,或许会使问题简单化.
例题3(选修3-1第9页第1题)有三个完全一样的金属球,A球电荷量为q,A均不带电,现要使B球电荷量为3q8,应该怎么办?
解析A球带电量为q,B、C不带电,要使B的电量为3q8,可以(1)B与A接触,C与A接触,再让B与C或A接触;(2)B与A接触,C与B接触,再让B与A接触;(3)C与A接触,B与A接触,再让B与C接触;(4)C与A接触,B与C接触,再让B与A接触.从结果反推,使思路更加清楚,也避免了分类讨论.
4高度总结、形成定论,避免分类讨论
在平时的练习中,如果能够对某些必须要分类讨论的问题进行高度总结,形成一般规律、结论,那么在遇到相类似的问题就可以直接引用,避免分类讨论所带来的麻烦.
例题4下列各组共线的三个自由电荷,可以平衡的是
A.4Q4Q4QB.4Q-5Q3Q
C.9Q-4Q36QD.-4Q2Q-3Q
解析三个自由点电荷共线平衡问题有如下特点:
(1)三个点电荷电性必为“两同夹异”.即两边电荷与中间电荷的电性相反.
(2)三个点电荷电荷量必为“两大夹小”,即放在中间的电荷B电量最小.
(3)三个点电荷位置必为“近小远大”,即中间电荷靠近电量较小电荷.
(4)三个点电荷共线平衡电荷量的关系是Q外1Q外2=Q内Q外1 Q内Q外2.
所以由“两同夹异”排除A项,由“两大夹小”排除B项,由三个点电荷共线平衡电荷量的关系Q外1Q外2=Q内Q外1 Q内Q外2可判断答案D错C正确.
例题5一列简谐横波在t=0时刻的波形如图3中的实线所示,t=0.02 s时刻的波形如图中虚线所示.若该波的周期T大于0.02 s,则该波的传播速度可能是
A.2 m/sB.3 m/sC.4 m/sD.5 m/s
解析常规解法是分为波向右传播、波向左传播两类讨论,
如波向右传播:
Δt=4n 14T=2×2n 14T, 如波向左传播:
Δt=4n 34T=2×(2n 1) 14T.
可以求出波速3 m/s,如果仔细分析一下,可由数学知识得到,可以用一个通式把上两式表述出来即
Δt=2m 14Tm=0,1,2,3,…
如果在计算过程中用公式Δt=2m 14T代替上面两个式子,可以避免分类讨论.
5画出图象、获得信息,避免分类讨论
例题6t=0时以30 m/s初速度竖直上抛出一个小球,以后每隔1 s钟以同样的速度竖直抛出一球,空气阻力忽略不计,空中各个球不会相碰.问第一个小球抛出,它在哪些时刻和以后抛出的小球在空中相遇?(g=10 m/s2)
解析设第n个小球在Δt时间后抛出,t为第一个小球和Δt后抛出的小球在空中相遇的时刻,则在某一时刻t这两个球的位移分别为
s=v0t-12gt2,
s′=v0(t-Δt)-12g(t-Δt)2,
两小球在空中相遇位移相等,即
v0t-12gt2=v0(t-Δt)-12g(t-Δt)2,
整理得t=12Δt v0g.
当Δt=1 s时,t=(12×1 3010) s 3.5 s,这是与第二个小球相遇而过的时刻;
当Δt=2 s时,t=(12×2 3010) s=4 s,这是与第三个小球相遇而过的时刻;
当Δt=3 s时,t=(12×3 3010) s=4.5 s,这是与第四个小球相遇而过的时刻;
当Δt=4 s时,t=(12×4 3010) s=5 s,这是与第五个小球相遇而过的时刻;
当Δt=5 s时,t=(12×5 3010) s=5.5 s,这是与第六个小球相遇而过的时刻.
除上述分类讨论的算法之外,还可用图象法解决.根据题意,定性画出h-t图象,如图4所示,根据各球图象的交点及相应的坐标,可得:第一个小球在空中与5个小球相遇,依次是t1=3.5 s,t2=4 s,t3=4.5 s,t4=5 s,t5=5.5 s.采用图象问题迎刃而解,可以避免分类讨论.
分类讨论思想对于培养学生思维的条理性和深刻性有着重要的作用,其思想对于启迪学生的思维是其他思想方法无法替代的,一直倍受命题者的青睐.可是有些分类讨论问题,若能认真地挖掘一下题目内在的特殊性,灵活地运用解题策略和方法,有时可简化或避免分类讨论,使解题过程简捷且降低问题难度,提高解题的效率和质量.