抓住物理情景中的状态、过程与系统——从2004年全国高考理综压轴题谈起，本文主要内容关键词为：情景论文,全国高考论文,物理论文,状态论文,过程论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
2004年全国高考理综试题中的第23题、第24题和第25题分别考查了有关天体问题、电磁感应中的力电综合问题、牛顿运动定律与运动学等方面的知识，但均突出考查了学生对物理过程分析的能力。特别是第25题，要求考生有扎实的基础知识和良好的解决问题的思维程序，能够对物体进行正确的受力分析和运动情景的分析，其关键就是要抓住物理情景中出现的“状态”“过程”与“系统”。下面结合近三年来高考理综压轴题，谈谈在物理教学中如何重视培养学生对“状态、过程与系统”的分析能力。
一、状态、过程与系统
学生在解答物理综合题时，肯定要运用定理及定律列出具体的公式。在列式时，他们首先要考虑的是研究对象，也就是对谁列方程，用物理语言来说就是此物理问题中所涉及的系统，系统中有几个物体；其二，学生运用物理规律列出公式的两边应该是不同时刻的两个状态，要把每个状态分析清楚；第三，从一个物理状态到另一个状态，把两个状态链接在一起的就是物理过程。也就是说，学生每列一个物理公式，必须非常明确这个公式是对谁（系统）列方程，是对哪个过程列方程，而方程左右两边对应的是哪两个物理状态。如2004年理综压轴题第25题，在桌布抽出之前，盘从静止开始做匀加速直线运动，在桌布抽出之后，盘做匀减速直线运动而静止。前一过程的末速度就是后一过程的初速度，是两个最简单的子过程相链接的过程综合题。2003年理综压轴题第34题，小货箱在传送带上从静止先做匀加速直线运动，当小货箱速度与传送带速度相同时，小货箱的运动变为匀速直线运动，而在相互运动的过程中产生“摩擦生热”。2002年理综压轴题第30题，从原来带电小球的平衡状态到绳子剪断后两带电小球的平衡状态，我们只要分析绳子剪断前后的两个平衡状态就可把该问题解决。又如运用动量守恒定律我们能够列出式子：mv[，1]+Mv[，2]=mv[，1]′+Mv[，2]′，此式中涉及的系统中有两个物体m和M，等式的左边是某一时刻系统的动量（状态1），等式的右边是另一时刻的动量（状态2），而从等式左边的状态1到右边的状态2肯定是某个物理过程，在这个过程中m和M组成的系统动量守恒。教师在教学过程中应该还给学生更多的时间与空间，使他们能够真正掌握对“状态、过程与系统”的分析，提高学生分析问题解决问题的综合能力。
二、子过程与总过程、子系统与大系统
力学中的守恒定律与定理，是指动量守恒定律、机械能守恒定律和能的转化与守恒定律，还有动量定理、动能定理等等。这些物理规律都适用于受一定条件限制的力学系统，与系统具体受力过程的特定状态相联系。定律与定理的数学形式都很简单，但学生使用起来往往并不轻松，难免要出现这样或那样的问题。对学生在应用规律解题时出现的问题加以分析，可以发现，其中有相当一部分都是由于相关的辅助知识欠缺造成的，要使学生用好这些定律与定理，必须训练如下的解题技能：
1.要能把子系统从大系统中分离出来
有时组成力学系统的物体数目过多，对整个力学系统应用守恒定律，问题过于复杂，无从下手。比如运用动量守恒或机械能守恒时，如果在特定的条件下，其中一些子系统的动量守恒或机械能守恒可以不受整个系统中其他物体的影响，就可以把这样的子系统从大系统中分离出来，就可以使问题在很大程度上得到简化，这给守恒定律的应用创造了条件。可以说，这也是隔离法的一种推广应用。当然，如果整个大系统能满足相关的定理条件，那就首先可考虑对整个系统来列方程，这就是通常我们所说的整体法。
2.能把子过程从总过程中划分出来
与力学规律相关的物理过程变化多端，由于过程的多变性，必然使问题趋于复杂性，但复杂多变的物理过程又常常具有阶段性。过程的各个阶段，即各个子过程，相对总过程来说，问题通常都要简单得多。因此，把构成过程整体的若干子过程划分出来研究，就可以把全过程看来是十分复杂的问题加以简化，简化成若干个简单的几个子过程，使问题逐步得到解决。比如动量守恒问题，是研究物体系在不受外力或合外力为零时，其内部各物体间发生相互作用，我们常用“慢镜头”方式分析物理过程，把复杂的物理过程分解为几个简单的子过程。如2004年理综压轴题第25题，盘从静止开始做匀加速直线运动之后做匀减速直线运动而静止。前一过程与后一过程就是我们所说的两个子过程，是两个最简单的子过程相链接的综合题。2003年理综压轴题第34题，小货箱运动的第一个子过程是在传送带上从静止做匀加速直线运动，第二个子过程是当小货箱速度与传送带速度相同时小货箱匀速直线运动，第三个子过程是小货箱在斜面上匀速上升。
三、注意过程分析，培养思维能力
1.重视对基本物理过程的分析
在高中物理中，力学部分涉及的过程有匀速直线运动，匀变速直线运动，平抛运动、圆周运动，机械振动等，除了这些之外还有两类重要的运动过程，一类是碰撞过程，另一类是先变加速最终匀速过程（如恒定功率汽车的起动问题）。热学中的变化过程主要是温度、体积、压强之间的关系。电学中的变化过程主要有电容器的充电与放电，电磁振荡等。以上的这些基本过程都是非常重要的，在平时的教学中都必须进行认真的演示与分析，掌握每个过程的特点和所遵循的基本规律。
2.用“慢镜头”方式分析物理过程
在辅导学生时，发现有许多学生对不太容易把握的较快的物理过程的分析时，常采用“简化”的方法，从而导致错误。学生之所以采用“简化”策略，主要原因为：（1）学生对快速的运动过程不能仔细观察，没有形成清晰的视觉表象；（2）教师上课对运动过程的分析速度远快于学生对运动过程的构思与想象速度。因此在教学中应采用“慢镜头”式的过程分析进行示范。
3.用作图的方法分析物理过程
我们发现用“慢镜头”式的方法想象、分析物理过程时，并不是所有过程学生都能想象完整，分析清楚，特别是过程比较复杂、物体个数较多的情况学生遇到的困难更大。这时我们要求学生用作图的方法分析物理过程。作图是一种很好的辅助分析方法，通过作图可以理清人的思路，使各种关系形象、直观地显现出来，为进一步想象提供了基础。
4.通过转化物理情境分析物理过程
学生对不太熟悉的物理现象与物理过程常常很难想象与分析，例如对宇宙飞船的各种物理现象与过程分析时常常出错，这时我们就启发学生通过转化物理情境来帮助分析，宇宙飞船中的完全失重状态转化为地面附近的自由落体，转化也是分析过程时的一种重要思维技巧。
5.定性分析与定量分析相结合分析物理过程
在学生学习物理过程，不对物理过程进行分析，盲目套用公式的做法是错误的。反之，只对物理过程进行定性分析，不对其进行定量分析有时也得不出正确的结论。应用合适的数学模型和公式也是一个重要的思维技巧。
四、近三年理综压轴题鉴赏
近三年的理综压轴题有一个共同的特征——突出考查了学生对“状态、过程与系统”的分析能力。下面就从状态、过程与系统的角度举例分析2002至2004年高考理综压轴题。
题1 （2004年高考理综第25题）一小圆盘静止在桌布上，位于一方桌的水平桌面的中央。桌布的一边与桌的AB边重合，如图1所示。已知盘与桌布间的动摩擦因数为μ[，1]，盘与桌面间的动摩擦因数为μ[，2]。现突然以恒定加速度a将桌布抽离桌面，加速度方向是水平的且垂直于AB边。若圆盘最后未从桌面掉下，则加速度a满足的条件是什么？（以g表示重力加速度）
图1
分析 研究盘的运动情况，在桌布直线从圆盘下抽出的过程中，盘从静止开始做匀加速直线运动，a[，1]=μ[，1]g；桌布抽出后，盘在桌面上做匀减速运动而静止，a[，2]=μ[，2]g。是典型的两个子过程两链接的过程综合题，两个过程的平均速度相同，第一个过程的末速度就是第二个过程的初速度，并且盘从静止开始运动而最终又静止于桌面上。因此只要注意这两个子过程相关物理量的关系，并且利用位移的几何关系就能顺利解答此题。
解答 设圆盘的质量为m，桌长为L，圆盘先在桌面上做匀加速度直线运动，a[，1]=μ[，1]g；桌布抽出后盘在桌面上做匀减速直线运动，a[，2]=μ[，2]g。
设盘刚离开桌布时的速度为v，移动的位移为x[，1]，离开桌布后盘在桌面上再运动的距离为x[，2]后静止，则有
v[2]=2a[，1]x[，1]=2a[，2]x[，2]。
盘没有从桌面上掉下来的条件是x[，1]+x[，2]≤（1/2）L。
设桌布从盘下抽出所经历的时间为t，在这段时间内桌布移动的距离为x，则
x=（1/2）at[2]，x[，1]=（1/2）a[，1]t[2]，而x-x[，1]=（1/2）L，
由以上各式解得a≥（μ[，1]+2μ[，2]/μ[，2]）μ[，1]g。
题2 （2003年高考理综第34题）一传送带装置示意如图2所示，其中传送带经过AB区域时是水平的，经过BC区域时变为圆弧形（圆弧由光滑模板形成，未画出），经过CD区域时是倾斜的，AB和CD都与BC相切。现将大量的质量均为m的小货箱一个一个在A处放到传送带上，放置时初速为零，经传送带运送到D处，D和A的高度差为h。稳定工作时传送带速度不变，CD段上各箱等距排列，相邻两箱的距离为L。每个箱子在A处投放后，在到达B之前已经相对于传送带静止，且以后也不再滑动（忽略经BC段时的微小滑动）。已知在一段相当长的时间T内，共运送小货箱的数目为N。这装置由电动机带动，传送带与轮子间无相对滑动，不计轮轴处的摩擦。求电动机的平均输出功率
。
图2
分析 小货箱被放上传送带上后，与传送带之间相互作用，整个物理过程又可分为三个子过程，小货箱先做加速度运动，再水平匀速运动，最后沿斜面匀速上升这样三个过程。在水平传送时由于相互作用产生“摩擦生热”。
解答 小货箱先在滑动摩擦力的作用下做匀加速直线运动。设这段位移为s，所用时间为t，加速度为a，则对小货箱有s=（1/2）at[2]=（v[，0]/2）t，而传送带的位移为2s，传送带对小货箱做的功为
W=fs=（1/2）mv[，0][2]，
摩擦生热Q=f（2s-s）=（1/2）mv[，0][2]，
在斜面上匀速上升的过程中，小货箱增加的势能E[，p]=mgh，设整个过程中共运送N个小货箱，则
题3 （2002年高考理综第30题）有三根长度皆为l=1.00m的不可伸长的绝缘轻线，其中两根的一端固定在天花板上的O点，另一端分别挂有质量皆为m=1.00×10[-2]Kg的带电小球A和B，它们的电量分别为-q和+q，q=1.00×10[-7]C。A、B之间用第三根线连接起来。空间中存在大小为E=1.00×10[6]N/C的匀强电场，场强方向沿水平向右，平衡时A、B球的位置如图3所示。现将O、B之间的线烧断，由于有空气阻力，A、B球最后会达到新的平衡位置。求最后两球的机械能与电势能的总和与烧断前相比改变了多少（不计两带电小球间相互作用的静电力）。
图3
分析 原来整个系统处于平衡状态，绳子OB剪断后，最终整个系统到达新的平衡位置而静止。所以，解此题的关键是要找到绳子OB剪断后系统新的平衡位置。从原来系统的平衡状态到后来系统的平衡状态，就是这个题目中的整个物理过程。在整个过程中，重力做功对应重力势能的变化，电场力做功对应电势能的变化。
解答 利用整体法分析绳子剪断后系统达到新的平衡的位置。由于整个系统不带电，故OA绳必竖直，如图4所示，设此时B球与竖直方向成α角，对B受力分析知
图4
tanα=（Eq/mg）=1，α=45[0]。
A球减少的重力势能为
E[，A]=mgl（1-sin60[0]），
B球减少的重力势能为
E[，B]=mgl（1-sin60[0]+cos45[0]），
A球增加的电势能为
W[，A]=Eqlcos60[0]，
B球减少的电势能为
W[，R]=Eql（sin45[0]-sin30[0]），
两球减少总的势能为W=W[，B]-W[，A]+E[，A]+E[，B]，代入数据得W=6.8×10[-2]J。
总之，分析近三年理科综合考试中的物理“压轴”题，也只是物理本学科知识的“综合”。在日常教学中，要培养学生在解题中应该深入、透彻理解物理学科的基本概念和基本规律，抓住物理情景中出现的“状态、过程与系统”，注重对物理过程的分析，按照物理思维程序，一步一步，一个程序一个程序地列出相关的式子。每当考试时，要打有准备之仗，认真、踏实进行全面复习，对所有知识进行整理，形成知识的网络，胸有成竹、充满信心地走进考场。