教学目标
(1)使学生了解并会用二元一次不等式表示平面区域以及用二元一次不等式组表示平面区域;
(2)了解线性规化的意义以及线性约束条件、线性目标函数、线性规化问题、可行解、可行域以及最优解等基本概念;
(3)了解线性规化问题的图解法,并能应用它解决一些简单的实际问题;
(4)培养学生观察、联想以及作图的能力,渗透集合、化归、数形结合的数学思想,提高学生“建模”和解决实际问题的能力;
(5)结合教学内容,培养学生学习数学的兴趣和“用数学”的意识,激励学生勇于创新.
教学建议
一、知识结构
教科书首先通过一个具体问题,介绍了二元一次不等式表示平面区域.再通过一个具体实例,介绍了线性规化问题及有关的几个基本概念及一种基本解法-图解法,并利用几道例题说明线性规化在实际中的应用.
二、重点、难点分析
本小节的重点是二元一次不等式(组)表示平面的区域.
对学生来说,二元一次不等式(组)表示平面的区域是一个比较陌生、抽象的概念,按高二学生现有的知识和认知水平难以透彻理解,因此学习二元一次不等式(组)表示平面的区域分为两个大的层次:
(1)二元一次不等式表示平面区域.首先通过建立新旧知识的联系,自然地给出概念.明确二元一次不等式在平面直角坐标系中表示直线某一侧所有点组成的平面区域不包含边界直线(画成虚线).其次再扩大到所表示的平面区域是包含边界直线且要把边界直线画成实线.
(2)二元一次不等式组表示平面区域.在理解二元一次不等式表示平面区域含义的基础上,画不等式组所表示的平面区域,找出各个不等式所表示的平面区域的公共部分.这是学生对代数问题等价转化为几何问题以及数学建模方法解决实际问题的基础.
难点是把实际问题转化为线性规划问题,并给出解答.
对许多学生来说,从抽象到的化归并不比从具体到抽象遇到的问题少,学生解数学应用题的最常见困难是不会将实际问题提炼成数学问题,即不会建模.所以把实际问题转化为线性规划问题作为本节的难点,并紧紧围绕如何引导学生根据实际问题中的已知条件,找出约束条件和目标函数,然后利用图解法求出最优解作为突破这个难点的关键.
对学生而言解决应用问题的障碍主要有三类:①不能正确理解题意,弄清各元素之间的关系;②不能分清问题的主次关系,因而抓不住问题的本质,无法建立数学模型;③孤立地考虑单个的问题情景,不能多方联想,形成正迁移.针对这些障碍以及题目本身文字过长等因素,将本课设计为计算机辅助教学,从而将实际问题鲜活直观地展现在学生面前,以利于理解;分析完题后,能够抓住问题的本质特征,从而将实际问题抽象概括为线性规划问题.另外,利用计算机可以较快地帮助学生掌握寻找整点最优解的方法.
三、教法建议
(1)对学生来说,二元一次不等式(组)表示平面的区域是一个比较陌生的概念,不象二元一次方程表示直线那样已早有所知,为使学生对这一概念的引进不感到突然,应建立新旧知识的联系,以便自然地给出概念
(2)建议将本节新课讲授分为五步(思考、尝试、猜想、证明、归纳)来进行,目的是为了分散难点,层层递进,突出重点,只要学生对旧知识掌握较好,完全有可能由学生主动去探求新知,得出结论.
(3)要举几个典型例题,特别是似是而非的例子,对理解二元一次不等式(组)表示的平面区域的含义是十分必要的.
(4)建议通过本节教学着重培养学生掌握“数形结合”的数学思想,尽管侧重于用“数”研究“形”,但同时也用“形”去研究“数”,这对培养学生观察、联想、猜测、归纳等数学能力是大有益处的.
(5)对作业、思考题、研究性题的建议:①作业主要训练学生规范的解题步骤和作图能力;②思考题主要供学有余力的学生课后完成;③研究性题综合性较大,主要用于拓宽学生的思维.
(6)若实际问题要求的最优解是整数解,而我们利用图解法得到的解为非整数解(近似解),应作适当的调整,其方法应以与线性目标函数的直线的距离为依据,在直线的附近寻求与此直线距离最近的整点,不要在用图解法所得到的近似解附近寻找.
如果可行域中的整点数目很少,采用逐个试验法也可.
(7)在线性规划的实际问题中,主要掌握两种类型:一是给定一定数量的人力、物力资源,问怎样运用这些资源能使完成的任务量最大,收到的效益最大;二是给定一项任务问怎样统筹安排,能使完成的这项任务耗费的人力、物力资源最小.
线性规划教学设计方案(一)
教学目标
使学生了解并会作二元一次不等式和不等式组表示的区域.
重点难点
了解二元一次不等式表示平面区域.
教学过程
【引入新课】
我们知道一元一次不等式和一元二次不等式的解集都表示直线上的点集,那么在平面坐标系中,二元一次不等式的解集的意义是什么呢?
【二元一次不等式表示的平面区域】
1.先分析一个具体的例子
我们知道,在平面直角坐标系中,以二元一次方程的解为坐标的点的集合是经过点(0,1)和(1,0)的一条直线l(如图)那么,以二元一次不等式(即含有两个未知数,且未知数的最高次数都是1的不等式)的解为坐标的点的集合是什么图形呢?
在平面直角坐标系中,所有点被直线l分三类:①在l上;②在l的右上方的平面区域;③在l的左下方的平面区域(如图)取集合A的点(1,1)、(1,2)、(2,2)等,我们发现这些点都在l的右上方的平面区域,而点(0,0)、(-1,-1)等等不属于A,它们满足不等式,这些点却在l的左下方的平面区域.
由此我们猜想,对直线l右上方的任意点成立;对直线l左下方的任意点成立,下面我们证明这个事实.
在直线上任取一点,过点P作垂直于y轴的直线,在此直线上点P右侧的任意一点,都有∴
于是
所以
因为点,是L上的任意点,所以,对于直线右上方的任意点,
都成立
同理,对于直线左下方的任意点,
都成立
所以,在平面直角坐标系中,以二元一次不等式的解为坐标的点的集点.
是直线右上方的平面区域(如图)
类似地,在平面直角坐标系中,以二元一次不等式的解为坐标的点的集合是直线左下方的平面区域.
2.二元一次不等式和表示平面域.
(1)结论:二元一次不等式在平面直角坐标系中表示直线某一侧所有点组成的平面区域.
把直线画成虚线以表示区域不包括边界直线,若画不等式就表示的面区域时,此区域包括边界直线,则把边界直线画成实线.
(2)判断方法:由于对在直线同一侧的所有点,把它的坐标代入,所得的实数的符号都相同,故只需在这条直线的某一侧取一个特殊点,以的正负情况便可判断表示这一直线哪一侧的平面区域,特殊地,当时,常把原点作为此特殊点.
【应用举例】
例1画出不等式表示的平面区域
解;先画直线(画线虚线)取原点(0,0),代入,
∴∴原点在不等式表示的平面区域内,不等式表示的平面区域如图阴影部分.
例2画出不等式组
表示的平面区域
分析:在不等式组表示的平面区域是各个不等式所表示的平面点集的交集,因而是各个不等式所表示的平面区域的公共部分.
解:不等式表示直线上及右上方的平面区域,表示直线上及右上方的平面区域,上及左上方的平面区域,所以原不等式表示的平面区域如图中的阴影部分.
课堂练习
作出下列二元一次不等式或不等式组表示的平面区域.
(1)(2)(3)
(4)(5)
总结提炼
1.二元一次不等式表示的平面区域.
2.二元一次不等式表示哪个平面区域的判断方法.
3.二元一次不等式组表示的平面区域.
布置作业
1.不等式表示的区域在的().
A.右上方B.右下方C.左上方D.左下方
2.不等式表示的平面区域是().
3.不等式组表示的平面区域是().
4.直线右上方的平面区域可用不等式表示.
5.不等式组表示的平面区域内的整点坐标是.
6.画出表示的区域.
答案:
1.B2.D3.B4.5.(-1,-1)
6.
线性规划教学设计方案(二)
教学目标
巩固二元一次不等式和二元一次不等式组所表示的平面区域,能用此来求目标函数的最值.
重点难点
理解二元一次不等式表示平面区域是教学重点.
如何扰实际问题转化为线性规划问题,并给出解答是教学难点.
教学步骤
【新课引入】
我们知道,二元一次不等式和二元一次不等式组都表示平面区域,在这里开始,教学又翻开了新的一页,在今后的学习中,我们可以逐步看到它的运用.
【线性规划】
先讨论下面的问题
设,式中变量x、y满足下列条件
①
求z的最大值和最小值.
我们先画出不等式组①表示的平面区域,如图中内部且包括边界.点(0,0)不在这个三角形区域内,当时,,点(0,0)在直线上.
作一组和平等的直线
可知,当l在的右上方时,直线l上的点满足.
即,而且l往右平移时,t随之增大,在经过不等式组①表示的三角形区域内的点且平行于l的直线中,以经过点A(5,2)的直线l,所对应的t最大,以经过点的直线,所对应的t最小,所以
在上述问题中,不等式组①是一组对变量x、y的约束条件,这组约束条件都是关于x、y的一次不等式,所以又称线性约束条件.
是欲达到最大值或最小值所涉及的变量x、y的解析式,叫做目标函数,由于又是x、y的解析式,所以又叫线性目标函数,上述问题就是求线性目标函数在线性约束条件①下的最大值和最小值问题.
线性约束条件除了用一次不等式表示外,有时也有一次方程表示.
一般地,求线性目标函数在线性约束条件下的最大值或最小值的问题,统称为线性规划问题,满足线性约束条件的解叫做可行解,由所有可行解组成的集合叫做可行域,在上述问题中,可行域就是阴影部分表示的三角形区域,其中可行解(5,2)和(1,1)分别使目标函数取得最大值和最小值,它们都叫做这个问题的最优解.
【应用举例】
例1解下列线性规划问题:求的最大值和最小值,使式中的x、y满足约束条件
解:先作出可行域,见图中表示的区域,且求得.
作出直线,再将直线平移,当的平行线过B点时,可使达到最小值,当的平行线过C点时,可使达到最大值.
通过这个例子讲清楚线性规划的步骤,即:
第一步:在平面直角坐标系中作出可行域;
第二步:在可行域内找出最优解所对应的点;
第三步:解方程的最优解,从而求出目标函数的最大值或最小值.
例2解线性规划问题:求的最大值,使式中的x、y满足约束条件.
解:作出可行域,见图,五边形OABCD表示的平面区域.
作出直线将它平移至点B,显然,点B的坐标是可行域中的最优解,它使达到最大值,解方程组得点B的坐标为(9,2).
∴
这个例题可在教师的指导下,由学生解出.在此例中,若目标函数设为,约束条件不变,则z的最大值在点C(3,6)处取得.事实上,可行域内最优解对应的点在何处,与目标函数所确定的直线的斜率有关.就这个例子而言,当的斜率为负数时,即时,若(直线的斜率)时,线段BC上所有点都是使z取得最大值(如本例);当时,点C处使z取得最大值(比如:时),若,可请同学思考.
随堂练习
1.求的最小值,使式中的满足约束条件
2.求的最大值,使式中满足约束条件
答案:1.时,.
2.时,.
总结提炼
1.线性规划的概念.
2.线性规划的问题解法.
布置作业
1.求的最大值,使式中的满足条件
2.求的最小值,使满足下列条件
答案:1.
2.在可行域内整点中,点(5,2)使z最小,
探究活动
利润的线性规划[问题]某企业1997年的利润为5万元,1998年的利润为7万元,1999年的利润为81元,请你根据以上信息拟定两个不同的利润增长直线方程,从而预2001年企业的利润,请问你帮该企业预测的利润是多少万?
[分析]首先应考虑在平面直角坐标系中如何描述题中信息:“1997年的利润为5万元,1998年的利润为7万元,1999年的利润为8万元”,在确定这三点坐标后,如何运用这三点坐标,是仅用其中的两点,还是三点信息的综合运用,运用时要注意有其合理性、思考的方向可以考虑将通过特殊点的直线、平行某个线段的直线、与某些点距离最小的直线作为预测直线等等.
建立平面直角坐标系,设1997年的利润为5万元对应的点为(0,5),1998年的利润为7万元及1999年的利润为8万元分别对应点(1,7)和(2,8),那么
①若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为13万元.
②若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11万元.
③若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为10万元.
④若将过及线段的中点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11.667万元.
⑤若将过及的重心(注:为3年的年平均利润)的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11.667万元.
⑥若将过及的重心的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为10.667万元.
⑦若将过且以线段的斜率为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为9万元.
⑧若将过且以线段的斜率为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为11.5万元.
⑨若将过点且以线段的斜率为斜率的直线,作为预测直线,则预测直线的方程为;,这样预测2001年的利润为12万元.
⑩若将过且以线段的斜率与线段的斜率的平均数为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为12万元.
如此这样,还有其他方案,在此不—一列举.
[思考](1)第⑤种方案与第④种方案的结果完全一致,这是为什么?
(2)第⑦种方案中,的现实意义是什么?
(3)根据以上的基本解题思路,请你思考新的方案.如方案⑥中,过的重心,找出以为斜率的直线中与两点的距离的平方和最小的直线作为预测直线.
(4)根据以上结论及你自己的答案估计一下利润的范围,你预测的利润频率出现最多的是哪一个值?你认为将你预测的结论作怎样的处理,使之得到的利润预测更为有效?如果不要求用线性预测,你能得出什么结果?
教学目标
(1)使学生了解并会用二元一次不等式表示平面区域以及用二元一次不等式组表示平面区域;
(2)了解线性规化的意义以及线性约束条件、线性目标函数、线性规化问题、可行解、可行域以及最优解等基本概念;
(3)了解线性规化问题的图解法,并能应用它解决一些简单的实际问题;
(4)培养学生观察、联想以及作图的能力,渗透集合、化归、数形结合的数学思想,提高学生“建模”和解决实际问题的能力;
(5)结合教学内容,培养学生学习数学的兴趣和“用数学”的意识,激励学生勇于创新.
教学建议
一、知识结构
教科书首先通过一个具体问题,介绍了二元一次不等式表示平面区域.再通过一个具体实例,介绍了线性规化问题及有关的几个基本概念及一种基本解法-图解法,并利用几道例题说明线性规化在实际中的应用.
二、重点、难点分析
本小节的重点是二元一次不等式(组)表示平面的区域.
对学生来说,二元一次不等式(组)表示平面的区域是一个比较陌生、抽象的概念,按高二学生现有的知识和认知水平难以透彻理解,因此学习二元一次不等式(组)表示平面的区域分为两个大的层次:
(1)二元一次不等式表示平面区域.首先通过建立新旧知识的联系,自然地给出概念.明确二元一次不等式在平面直角坐标系中表示直线某一侧所有点组成的平面区域不包含边界直线(画成虚线).其次再扩大到所表示的平面区域是包含边界直线且要把边界直线画成实线.
(2)二元一次不等式组表示平面区域.在理解二元一次不等式表示平面区域含义的基础上,画不等式组所表示的平面区域,找出各个不等式所表示的平面区域的公共部分.这是学生对代数问题等价转化为几何问题以及数学建模方法解决实际问题的基础.
难点是把实际问题转化为线性规划问题,并给出解答.
对许多学生来说,从抽象到的化归并不比从具体到抽象遇到的问题少,学生解数学应用题的最常见困难是不会将实际问题提炼成数学问题,即不会建模.所以把实际问题转化为线性规划问题作为本节的难点,并紧紧围绕如何引导学生根据实际问题中的已知条件,找出约束条件和目标函数,然后利用图解法求出最优解作为突破这个难点的关键.
对学生而言解决应用问题的障碍主要有三类:①不能正确理解题意,弄清各元素之间的关系;②不能分清问题的主次关系,因而抓不住问题的本质,无法建立数学模型;③孤立地考虑单个的问题情景,不能多方联想,形成正迁移.针对这些障碍以及题目本身文字过长等因素,将本课设计为计算机辅助教学,从而将实际问题鲜活直观地展现在学生面前,以利于理解;分析完题后,能够抓住问题的本质特征,从而将实际问题抽象概括为线性规划问题.另外,利用计算机可以较快地帮助学生掌握寻找整点最优解的方法.
三、教法建议
(1)对学生来说,二元一次不等式(组)表示平面的区域是一个比较陌生的概念,不象二元一次方程表示直线那样已早有所知,为使学生对这一概念的引进不感到突然,应建立新旧知识的联系,以便自然地给出概念
(2)建议将本节新课讲授分为五步(思考、尝试、猜想、证明、归纳)来进行,目的是为了分散难点,层层递进,突出重点,只要学生对旧知识掌握较好,完全有可能由学生主动去探求新知,得出结论.
(3)要举几个典型例题,特别是似是而非的例子,对理解二元一次不等式(组)表示的平面区域的含义是十分必要的.
(4)建议通过本节教学着重培养学生掌握“数形结合”的数学思想,尽管侧重于用“数”研究“形”,但同时也用“形”去研究“数”,这对培养学生观察、联想、猜测、归纳等数学能力是大有益处的.
(5)对作业、思考题、研究性题的建议:①作业主要训练学生规范的解题步骤和作图能力;②思考题主要供学有余力的学生课后完成;③研究性题综合性较大,主要用于拓宽学生的思维.
(6)若实际问题要求的最优解是整数解,而我们利用图解法得到的解为非整数解(近似解),应作适当的调整,其方法应以与线性目标函数的直线的距离为依据,在直线的附近寻求与此直线距离最近的整点,不要在用图解法所得到的近似解附近寻找.
如果可行域中的整点数目很少,采用逐个试验法也可.
(7)在线性规划的实际问题中,主要掌握两种类型:一是给定一定数量的人力、物力资源,问怎样运用这些资源能使完成的任务量最大,收到的效益最大;二是给定一项任务问怎样统筹安排,能使完成的这项任务耗费的人力、物力资源最小.
线性规划教学设计方案(一)
教学目标
使学生了解并会作二元一次不等式和不等式组表示的区域.
重点难点
了解二元一次不等式表示平面区域.
教学过程
【引入新课】
我们知道一元一次不等式和一元二次不等式的解集都表示直线上的点集,那么在平面坐标系中,二元一次不等式的解集的意义是什么呢?
【二元一次不等式表示的平面区域】
1.先分析一个具体的例子
我们知道,在平面直角坐标系中,以二元一次方程的解为坐标的点的集合是经过点(0,1)和(1,0)的一条直线l(如图)那么,以二元一次不等式(即含有两个未知数,且未知数的最高次数都是1的不等式)的解为坐标的点的集合是什么图形呢?
在平面直角坐标系中,所有点被直线l分三类:①在l上;②在l的右上方的平面区域;③在l的左下方的平面区域(如图)取集合A的点(1,1)、(1,2)、(2,2)等,我们发现这些点都在l的右上方的平面区域,而点(0,0)、(-1,-1)等等不属于A,它们满足不等式,这些点却在l的左下方的平面区域.
由此我们猜想,对直线l右上方的任意点成立;对直线l左下方的任意点成立,下面我们证明这个事实.
在直线上任取一点,过点P作垂直于y轴的直线,在此直线上点P右侧的任意一点,都有∴
于是
所以
因为点,是L上的任意点,所以,对于直线右上方的任意点,
都成立
同理,对于直线左下方的任意点,
都成立
所以,在平面直角坐标系中,以二元一次不等式的解为坐标的点的集点.
是直线右上方的平面区域(如图)
类似地,在平面直角坐标系中,以二元一次不等式的解为坐标的点的集合是直线左下方的平面区域.
2.二元一次不等式和表示平面域.
(1)结论:二元一次不等式在平面直角坐标系中表示直线某一侧所有点组成的平面区域.
把直线画成虚线以表示区域不包括边界直线,若画不等式就表示的面区域时,此区域包括边界直线,则把边界直线画成实线.
(2)判断方法:由于对在直线同一侧的所有点,把它的坐标代入,所得的实数的符号都相同,故只需在这条直线的某一侧取一个特殊点,以的正负情况便可判断表示这一直线哪一侧的平面区域,特殊地,当时,常把原点作为此特殊点.
【应用举例】
例1画出不等式表示的平面区域
解;先画直线(画线虚线)取原点(0,0),代入,
∴∴原点在不等式表示的平面区域内,不等式表示的平面区域如图阴影部分.
例2画出不等式组
表示的平面区域
分析:在不等式组表示的平面区域是各个不等式所表示的平面点集的交集,因而是各个不等式所表示的平面区域的公共部分.
解:不等式表示直线上及右上方的平面区域,表示直线上及右上方的平面区域,上及左上方的平面区域,所以原不等式表示的平面区域如图中的阴影部分.
课堂练习
作出下列二元一次不等式或不等式组表示的平面区域.
(1)(2)(3)
(4)(5)
总结提炼
1.二元一次不等式表示的平面区域.
2.二元一次不等式表示哪个平面区域的判断方法.
3.二元一次不等式组表示的平面区域.
布置作业
1.不等式表示的区域在的().
A.右上方B.右下方C.左上方D.左下方
2.不等式表示的平面区域是().
3.不等式组表示的平面区域是().
4.直线右上方的平面区域可用不等式表示.
5.不等式组表示的平面区域内的整点坐标是.
6.画出表示的区域.
答案:
1.B2.D3.B4.5.(-1,-1)
6.
线性规划教学设计方案(二)
教学目标
巩固二元一次不等式和二元一次不等式组所表示的平面区域,能用此来求目标函数的最值.
重点难点
理解二元一次不等式表示平面区域是教学重点.
如何扰实际问题转化为线性规划问题,并给出解答是教学难点.
教学步骤
【新课引入】
我们知道,二元一次不等式和二元一次不等式组都表示平面区域,在这里开始,教学又翻开了新的一页,在今后的学习中,我们可以逐步看到它的运用.
【线性规划】
先讨论下面的问题
设,式中变量x、y满足下列条件
①
求z的最大值和最小值.
我们先画出不等式组①表示的平面区域,如图中内部且包括边界.点(0,0)不在这个三角形区域内,当时,,点(0,0)在直线上.
作一组和平等的直线
可知,当l在的右上方时,直线l上的点满足.
即,而且l往右平移时,t随之增大,在经过不等式组①表示的三角形区域内的点且平行于l的直线中,以经过点A(5,2)的直线l,所对应的t最大,以经过点的直线,所对应的t最小,所以
在上述问题中,不等式组①是一组对变量x、y的约束条件,这组约束条件都是关于x、y的一次不等式,所以又称线性约束条件.
是欲达到最大值或最小值所涉及的变量x、y的解析式,叫做目标函数,由于又是x、y的解析式,所以又叫线性目标函数,上述问题就是求线性目标函数在线性约束条件①下的最大值和最小值问题.
线性约束条件除了用一次不等式表示外,有时也有一次方程表示.
一般地,求线性目标函数在线性约束条件下的最大值或最小值的问题,统称为线性规划问题,满足线性约束条件的解叫做可行解,由所有可行解组成的集合叫做可行域,在上述问题中,可行域就是阴影部分表示的三角形区域,其中可行解(5,2)和(1,1)分别使目标函数取得最大值和最小值,它们都叫做这个问题的最优解.
【应用举例】
例1解下列线性规划问题:求的最大值和最小值,使式中的x、y满足约束条件
解:先作出可行域,见图中表示的区域,且求得.
作出直线,再将直线平移,当的平行线过B点时,可使达到最小值,当的平行线过C点时,可使达到最大值.
通过这个例子讲清楚线性规划的步骤,即:
第一步:在平面直角坐标系中作出可行域;
第二步:在可行域内找出最优解所对应的点;
第三步:解方程的最优解,从而求出目标函数的最大值或最小值.
例2解线性规划问题:求的最大值,使式中的x、y满足约束条件.
解:作出可行域,见图,五边形OABCD表示的平面区域.
作出直线将它平移至点B,显然,点B的坐标是可行域中的最优解,它使达到最大值,解方程组得点B的坐标为(9,2).
∴
这个例题可在教师的指导下,由学生解出.在此例中,若目标函数设为,约束条件不变,则z的最大值在点C(3,6)处取得.事实上,可行域内最优解对应的点在何处,与目标函数所确定的直线的斜率有关.就这个例子而言,当的斜率为负数时,即时,若(直线的斜率)时,线段BC上所有点都是使z取得最大值(如本例);当时,点C处使z取得最大值(比如:时),若,可请同学思考.
随堂练习
1.求的最小值,使式中的满足约束条件
2.求的最大值,使式中满足约束条件
答案:1.时,.
2.时,.
总结提炼
1.线性规划的概念.
2.线性规划的问题解法.
布置作业
1.求的最大值,使式中的满足条件
2.求的最小值,使满足下列条件
答案:1.
2.在可行域内整点中,点(5,2)使z最小,
探究活动
利润的线性规划[问题]某企业1997年的利润为5万元,1998年的利润为7万元,1999年的利润为81元,请你根据以上信息拟定两个不同的利润增长直线方程,从而预2001年企业的利润,请问你帮该企业预测的利润是多少万?
[分析]首先应考虑在平面直角坐标系中如何描述题中信息:“1997年的利润为5万元,1998年的利润为7万元,1999年的利润为8万元”,在确定这三点坐标后,如何运用这三点坐标,是仅用其中的两点,还是三点信息的综合运用,运用时要注意有其合理性、思考的方向可以考虑将通过特殊点的直线、平行某个线段的直线、与某些点距离最小的直线作为预测直线等等.
建立平面直角坐标系,设1997年的利润为5万元对应的点为(0,5),1998年的利润为7万元及1999年的利润为8万元分别对应点(1,7)和(2,8),那么
①若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为13万元.
②若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11万元.
③若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为10万元.
④若将过及线段的中点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11.667万元.
⑤若将过及的重心(注:为3年的年平均利润)的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11.667万元.
⑥若将过及的重心的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为10.667万元.
⑦若将过且以线段的斜率为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为9万元.
⑧若将过且以线段的斜率为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为11.5万元.
⑨若将过点且以线段的斜率为斜率的直线,作为预测直线,则预测直线的方程为;,这样预测2001年的利润为12万元.
⑩若将过且以线段的斜率与线段的斜率的平均数为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为12万元.
如此这样,还有其他方案,在此不—一列举.
[思考](1)第⑤种方案与第④种方案的结果完全一致,这是为什么?
(2)第⑦种方案中,的现实意义是什么?
(3)根据以上的基本解题思路,请你思考新的方案.如方案⑥中,过的重心,找出以为斜率的直线中与两点的距离的平方和最小的直线作为预测直线.
(4)根据以上结论及你自己的答案估计一下利润的范围,你预测的利润频率出现最多的是哪一个值?你认为将你预测的结论作怎样的处理,使之得到的利润预测更为有效?如果不要求用线性预测,你能得出什么结果?
线性规划教学设计方案(二)
教学目标
巩固二元一次不等式和二元一次不等式组所表示的平面区域,能用此来求目标函数的最值.
重点难点
理解二元一次不等式表示平面区域是教学重点.
如何扰实际问题转化为线性规划问题,并给出解答是教学难点.
教学步骤
【新课引入】
我们知道,二元一次不等式和二元一次不等式组都表示平面区域,在这里开始,教学又翻开了新的一页,在今后的学习中,我们可以逐步看到它的运用.
【线性规划】
先讨论下面的问题
设,式中变量x、y满足下列条件
①
求z的最大值和最小值.
我们先画出不等式组①表示的平面区域,如图中内部且包括边界.点(0,0)不在这个三角形区域内,当时,,点(0,0)在直线上.
作一组和平等的直线
可知,当l在的右上方时,直线l上的点满足.
即,而且l往右平移时,t随之增大,在经过不等式组①表示的三角形区域内的点且平行于l的直线中,以经过点A(5,2)的直线l,所对应的t最大,以经过点的直线,所对应的t最小,所以
在上述问题中,不等式组①是一组对变量x、y的约束条件,这组约束条件都是关于x、y的一次不等式,所以又称线性约束条件.
是欲达到最大值或最小值所涉及的变量x、y的解析式,叫做目标函数,由于又是x、y的解析式,所以又叫线性目标函数,上述问题就是求线性目标函数在线性约束条件①下的最大值和最小值问题.
线性约束条件除了用一次不等式表示外,有时也有一次方程表示.
一般地,求线性目标函数在线性约束条件下的最大值或最小值的问题,统称为线性规划问题,满足线性约束条件的解叫做可行解,由所有可行解组成的集合叫做可行域,在上述问题中,可行域就是阴影部分表示的三角形区域,其中可行解(5,2)和(1,1)分别使目标函数取得最大值和最小值,它们都叫做这个问题的最优解.
【应用举例】
例1解下列线性规划问题:求的最大值和最小值,使式中的x、y满足约束条件
解:先作出可行域,见图中表示的区域,且求得.
作出直线,再将直线平移,当的平行线过B点时,可使达到最小值,当的平行线过C点时,可使达到最大值.
通过这个例子讲清楚线性规划的步骤,即:
第一步:在平面直角坐标系中作出可行域;
第二步:在可行域内找出最优解所对应的点;
第三步:解方程的最优解,从而求出目标函数的最大值或最小值.
例2解线性规划问题:求的最大值,使式中的x、y满足约束条件.
解:作出可行域,见图,五边形OABCD表示的平面区域.
作出直线将它平移至点B,显然,点B的坐标是可行域中的最优解,它使达到最大值,解方程组得点B的坐标为(9,2).
∴
这个例题可在教师的指导下,由学生解出.在此例中,若目标函数设为,约束条件不变,则z的最大值在点C(3,6)处取得.事实上,可行域内最优解对应的点在何处,与目标函数所确定的直线的斜率有关.就这个例子而言,当的斜率为负数时,即时,若(直线的斜率)时,线段BC上所有点都是使z取得最大值(如本例);当时,点C处使z取得最大值(比如:时),若,可请同学思考.
随堂练习
1.求的最小值,使式中的满足约束条件
2.求的最大值,使式中满足约束条件
答案:1.时,.
2.时,.
总结提炼
1.线性规划的概念.
2.线性规划的问题解法.
布置作业
1.求的最大值,使式中的满足条件
2.求的最小值,使满足下列条件
答案:1.
2.在可行域内整点中,点(5,2)使z最小,
探究活动
利润的线性规划[问题]某企业1997年的利润为5万元,1998年的利润为7万元,1999年的利润为81元,请你根据以上信息拟定两个不同的利润增长直线方程,从而预2001年企业的利润,请问你帮该企业预测的利润是多少万?
[分析]首先应考虑在平面直角坐标系中如何描述题中信息:“1997年的利润为5万元,1998年的利润为7万元,1999年的利润为8万元”,在确定这三点坐标后,如何运用这三点坐标,是仅用其中的两点,还是三点信息的综合运用,运用时要注意有其合理性、思考的方向可以考虑将通过特殊点的直线、平行某个线段的直线、与某些点距离最小的直线作为预测直线等等.
建立平面直角坐标系,设1997年的利润为5万元对应的点为(0,5),1998年的利润为7万元及1999年的利润为8万元分别对应点(1,7)和(2,8),那么
①若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为13万元.
②若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11万元.
③若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为10万元.
④若将过及线段的中点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11.667万元.
⑤若将过及的重心(注:为3年的年平均利润)的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11.667万元.
⑥若将过及的重心的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为10.667万元.
⑦若将过且以线段的斜率为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为9万元.
⑧若将过且以线段的斜率为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为11.5万元.
⑨若将过点且以线段的斜率为斜率的直线,作为预测直线,则预测直线的方程为;,这样预测2001年的利润为12万元.
⑩若将过且以线段的斜率与线段的斜率的平均数为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为12万元.
如此这样,还有其他方案,在此不—一列举.
[思考](1)第⑤种方案与第④种方案的结果完全一致,这是为什么?
(2)第⑦种方案中,的现实意义是什么?
(3)根据以上的基本解题思路,请你思考新的方案.如方案⑥中,过的重心,找出以为斜率的直线中与两点的距离的平方和最小的直线作为预测直线.
(4)根据以上结论及你自己的答案估计一下利润的范围,你预测的利润频率出现最多的是哪一个值?你认为将你预测的结论作怎样的处理,使之得到的利润预测更为有效?如果不要求用线性预测,你能得出什么结果?
线性规划教学设计方案(二)
教学目标
巩固二元一次不等式和二元一次不等式组所表示的平面区域,能用此来求目标函数的最值.
重点难点
理解二元一次不等式表示平面区域是教学重点.
如何扰实际问题转化为线性规划问题,并给出解答是教学难点.
教学步骤
【新课引入】
我们知道,二元一次不等式和二元一次不等式组都表示平面区域,在这里开始,教学又翻开了新的一页,在今后的学习中,我们可以逐步看到它的运用.
【线性规划】
先讨论下面的问题
设,式中变量x、y满足下列条件
①
求z的最大值和最小值.
我们先画出不等式组①表示的平面区域,如图中内部且包括边界.点(0,0)不在这个三角形区域内,当时,,点(0,0)在直线上.
作一组和平等的直线
可知,当l在的右上方时,直线l上的点满足.
即,而且l往右平移时,t随之增大,在经过不等式组①表示的三角形区域内的点且平行于l的直线中,以经过点A(5,2)的直线l,所对应的t最大,以经过点的直线,所对应的t最小,所以
在上述问题中,不等式组①是一组对变量x、y的约束条件,这组约束条件都是关于x、y的一次不等式,所以又称线性约束条件.
是欲达到最大值或最小值所涉及的变量x、y的解析式,叫做目标函数,由于又是x、y的解析式,所以又叫线性目标函数,上述问题就是求线性目标函数在线性约束条件①下的最大值和最小值问题.
线性约束条件除了用一次不等式表示外,有时也有一次方程表示.
一般地,求线性目标函数在线性约束条件下的最大值或最小值的问题,统称为线性规划问题,满足线性约束条件的解叫做可行解,由所有可行解组成的集合叫做可行域,在上述问题中,可行域就是阴影部分表示的三角形区域,其中可行解(5,2)和(1,1)分别使目标函数取得最大值和最小值,它们都叫做这个问题的最优解.
【应用举例】
例1解下列线性规划问题:求的最大值和最小值,使式中的x、y满足约束条件
解:先作出可行域,见图中表示的区域,且求得.
作出直线,再将直线平移,当的平行线过B点时,可使达到最小值,当的平行线过C点时,可使达到最大值.
通过这个例子讲清楚线性规划的步骤,即:
第一步:在平面直角坐标系中作出可行域;
第二步:在可行域内找出最优解所对应的点;
第三步:解方程的最优解,从而求出目标函数的最大值或最小值.
例2解线性规划问题:求的最大值,使式中的x、y满足约束条件.
解:作出可行域,见图,五边形OABCD表示的平面区域.
作出直线将它平移至点B,显然,点B的坐标是可行域中的最优解,它使达到最大值,解方程组得点B的坐标为(9,2).
∴
这个例题可在教师的指导下,由学生解出.在此例中,若目标函数设为,约束条件不变,则z的最大值在点C(3,6)处取得.事实上,可行域内最优解对应的点在何处,与目标函数所确定的直线的斜率有关.就这个例子而言,当的斜率为负数时,即时,若(直线的斜率)时,线段BC上所有点都是使z取得最大值(如本例);当时,点C处使z取得最大值(比如:时),若,可请同学思考.
随堂练习
1.求的最小值,使式中的满足约束条件
2.求的最大值,使式中满足约束条件
答案:1.时,.
2.时,.
总结提炼
1.线性规划的概念.
2.线性规划的问题解法.
布置作业
1.求的最大值,使式中的满足条件
2.求的最小值,使满足下列条件
答案:1.
2.在可行域内整点中,点(5,2)使z最小,
探究活动
利润的线性规划[问题]某企业1997年的利润为5万元,1998年的利润为7万元,1999年的利润为81元,请你根据以上信息拟定两个不同的利润增长直线方程,从而预2001年企业的利润,请问你帮该企业预测的利润是多少万?
[分析]首先应考虑在平面直角坐标系中如何描述题中信息:“1997年的利润为5万元,1998年的利润为7万元,1999年的利润为8万元”,在确定这三点坐标后,如何运用这三点坐标,是仅用其中的两点,还是三点信息的综合运用,运用时要注意有其合理性、思考的方向可以考虑将通过特殊点的直线、平行某个线段的直线、与某些点距离最小的直线作为预测直线等等.
建立平面直角坐标系,设1997年的利润为5万元对应的点为(0,5),1998年的利润为7万元及1999年的利润为8万元分别对应点(1,7)和(2,8),那么
①若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为13万元.
②若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11万元.
③若将过两点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为10万元.
④若将过及线段的中点的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11.667万元.
⑤若将过及的重心(注:为3年的年平均利润)的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为11.667万元.
⑥若将过及的重心的直线作为预测直线,其方程为:,这样预测2001年的利润为10.667万元.
⑦若将过且以线段的斜率为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为9万元.
⑧若将过且以线段的斜率为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为11.5万元.
⑨若将过点且以线段的斜率为斜率的直线,作为预测直线,则预测直线的方程为;,这样预测2001年的利润为12万元.
⑩若将过且以线段的斜率与线段的斜率的平均数为斜率的直线作为预测直线,则预测直线的方程为:,这样预测2001年的利润为12万元.
如此这样,还有其他方案,在此不—一列举.
[思考](1)第⑤种方案与第④种方案的结果完全一致,这是为什么?
(2)第⑦种方案中,的现实意义是什么?
(3)根据以上的基本解题思路,请你思考新的方案.如方案⑥中,过的重心,找出以为斜率的直线中与两点的距离的平方和最小的直线作为预测直线.
(4)根据以上结论及你自己的答案估计一下利润的范围,你预测的利润频率出现最多的是哪一个值?你认为将你预测的结论作怎样的处理,使之得到的利润预测更为有效?如果不要求用线性预测,你能得出什么结果?
教学目标
(1)使学生了解并会用二元一次不等式表示平面区域以及用二元一次不等式组表示平面区域;
(2)了解线性规化的意义以及线性约束条件、线性目标函数、线性规化问题、可行解、可行域以及最优解等基本概念;
(3)了解线性规化问题的图解法,并能应用它解决一些简单的实际问题;
(4)培养学生观察、联想以及作图的能力,渗透集合、化归、数形结合的数学思想,提高学生“建模”和解决实际问题的能力;
(5)结合教学内容,培养学生学习数学的兴趣和“用数学”的意识,激励学生勇于创新.
教学建议
一、知识结构
教科书首先通过一个具体问题,介绍了二元一次不等式表示平面区域.再通过一个具体实例,介绍了线性规化问题及有关的几个基本概念及一种基本解法-图解法,并利用几道例题说明线性规化在实际中的应用.
二、重点、难点分析
本小节的重点是二元一次不等式(组)表示平面的区域.
对学生来说,二元一次不等式(组)表示平面的区域是一个比较陌生、抽象的概念,按高二学生现有的知识和认知水平难以透彻理解,因此学习二元一次不等式(组)表示平面的区域分为两个大的层次:
(1)二元一次不等式表示平面区域.首先通过建立新旧知识的联系,自然地给出概念.明确二元一次不等式在平面直角坐标系中表示直线某一侧所有点组成的平面区域不包含边界直线(画成虚线).其次再扩大到所表示的平面区域是包含边界直线且要把边界直线画成实线.
(2)二元一次不等式组表示平面区域.在理解二元一次不等式表示平面区域含义的基础上,画不等式组所表示的平面区域,找出各个不等式所表示的平面区域的公共部分.这是学生对代数问题等价转化为几何问题以及数学建模方法解决实际问题的基础.
难点是把实际问题转化为线性规划问题,并给出解答.
对许多学生来说,从抽象到的化归并不比从具体到抽象遇到的问题少,学生解数学应用题的最常见困难是不会将实际问题提炼成数学问题,即不会建模.所以把实际问题转化为线性规划问题作为本节的难点,并紧紧围绕如何引导学生根据实际问题中的已知条件,找出约束条件和目标函数,然后利用图解法求出最优解作为突破这个难点的关键.
对学生而言解决应用问题的障碍主要有三类:①不能正确理解题意,弄清各元素之间的关系;②不能分清问题的主次关系,因而抓不住问题的本质,无法建立数学模型;③孤立地考虑单个的问题情景,不能多方联想,形成正迁移.针对这些障碍以及题目本身文字过长等因素,将本课设计为计算机辅助教学,从而将实际问题鲜活直观地展现在学生面前,以利于理解;分析完题后,能够抓住问题的本质特征,从而将实际问题抽象概括为线性规划问题.另外,利用计算机可以较快地帮助学生掌握寻找整点最优解的方法.
三、教法建议
(1)对学生来说,二元一次不等式(组)表示平面的区域是一个比较陌生的概念,不象二元一次方程表示直线那样已早有所知,为使学生对这一概念的引进不感到突然,应建立新旧知识的联系,以便自然地给出概念
(2)建议将本节新课讲授分为五步(思考、尝试、猜想、证明、归纳)来进行,目的是为了分散难点,层层递进,突出重点,只要学生对旧知识掌握较好,完全有可能由学生主动去探求新知,得出结论.
(3)要举几个典型例题,特别是似是而非的例子,对理解二元一次不等式(组)表示的平面区域的含义是十分必要的.
(4)建议通过本节教学着重培养学生掌握“数形结合”的数学思想,尽管侧重于用“数”研究“形”,但同时也用“形”去研究“数”,这对培养学生观察、联想、猜测、归纳等数学能力是大有益处的.
(5)对作业、思考题、研究性题的建议:①作业主要训练学生规范的解题步骤和作图能力;②思考题主要供学有余力的学生课后完成;③研究性题综合性较大,主要用于拓宽学生的思维.
(6)若实际问题要求的最优解是整数解,而我们利用图解法得到的解为非整数解(近似解),应作适当的调整,其方法应以与线性目标函数的直线的距离为依据,在直线的附近寻求与此直线距离最近的整点,不要在用图解法所得到的近似解附近寻找.
如果可行域中的整点数目很少,采用逐个试验法也可.
(7)在线性规划的实际问题中,主要掌握两种类型:一是给定一定数量的人力、物力资源,问怎样运用这些资源能使完成的任务量最大,收到的效益最大;二是给定一项任务问怎样统筹安排,能使完成的这项任务耗费的人力、物力资源最小.
线性规划教学设计方案(一)
教学目标
使学生了解并会作二元一次不等式和不等式组表示的区域.
重点难点
了解二元一次不等式表示平面区域.
教学过程
【引入新课】
我们知道一元一次不等式和一元二次不等式的解集都表示直线上的点集,那么在平面坐标系中,二元一次不等式的解集的意义是什么呢?
【二元一次不等式表示的平面区域】
在预习教材中的例4的基础上,证明:若分别是椭圆的左、右焦点,则椭圆上任一点p()到焦点的距离(焦半径),同时思考当椭圆的焦点在y轴上时,结论如何?(此题意图是引导学生去进一步探究,为进一步研究椭圆的性质做准备)
本堂课是在学生学习了椭圆的定义、标准方程的基础上,根据方程研究曲线的性质。按照学生的认知特点,改变了教材中原有安排顺序,引导学生从观察课前预习所作的图形入手,从分析对称开始,循序渐进进行探究。由教师点拨、指导,学生研究、合作、体验来完成。
本节课借助多媒体手段创设问题情境,指导学生研究式学习和体验式学习(兴趣是前提)。例如导入,通过“神州五号”这样一个人们关注的话题引入,有利于激发学生的兴趣。再如,这节课是学生第一次利用曲线方程研究曲线性质,为了解决这一难点,在课前设计中改变了教材原有研究顺序,让学生从观察一个具体椭圆图形入手,从观察到对称性这一宏观特征开始研究,符合学生的认知特点,调动了学生主动参与教学的积极性,使他们进行自主探究与合作交流,亲身体验几何性质的形成与论证过程,变静态教学为动态教学。在研究范围这一性质时,课前设计中,只要学生能根据不等式知识解出就可以了,但学生采用了多种方法研究,这时教师没有打断他的思路,而是引导帮助他研究,鼓励学生创新,从而也实现了以学生为主,为学生服务。
在离心率这一性质的教学中,充分利用多媒体手段,以轻松愉悦的动画演示,化解了知识的难点。
但也有不足的地方:在对具体例子的观察分析中,设计的问题过于具体,可能束缚了学生的思维,还没有放开。还有就是少讲多学方面也是我今后教学中努力的方向。
感悟:新课堂是活动的课堂,讨论、合作交流可课堂,德育教育的课堂,应用现代技术的课堂,因此新教育理念、新课改下的新课堂需要教师和学生一起来培育。
[教学目标]
1.知识目标
(1)巩固实验制取气体的基本操作方法。
(2)熟练喷泉实验、铵离子检验等基本实验的操作方法。
(3)巩固有关化学基础知识。
2.能力和方法目标
(1)通过实验室制取氨气实验、喷泉实验等,提高实验基本操作能力。
(2)通过铵离子检验,提高分析推理能力。
3.情感和价值观目标
通过本实验提高学习化学的兴趣。
[实验内容和实验要点]
本学生共包含喷泉实验、实验室制取氨气和铵离子检验三项,实验中应巩固的知识、实验所涉及的实验技能、实验注意事项等列表如下:
实验
内容
应巩固的知识
涉及的实验技能
注意事项
氨
的
制
取
实验室制氨的原理
(1)在试管里加热固体混合物的方法
(2)密度比空气小,又易溶于水的气体的收集方法
(1)装置应不漏气
(2)氯化铵和消石灰工混合均匀
(3)装反应混合物的试管管口要稍向下倾斜,先使试管均匀受热后,再将火焰固定在盛放固体的部位加热
(4)只能用排空气集气法收集氨气,收集氨气的试管要干燥,试管口要用一小团棉花堵住
氨
的
性
质
(1)物理性质(颜色、状态、气味、溶解性)
(2)化学性质(与水、酸等反应)
(1)闻气味方法
(2)气体的溶解性实验方法
(3)使用浓盐酸、浓硫酸、浓硝酸的技能
(1)在氨的溶解性实验中,试管里就充满氨
(2)氨与酸反应时,三滴不同酸的位置还宜靠得太近
铵离子的检验
铵离子的检验原理
(1)检验铵离子的性质
检验氨气时,不要把石蕊试纸碰到试管口或试管内壁,以免跟反应物中的碱相接触
教师在学生做实验前,应把以上各要点向学生交待清楚。使学生有所准备。
实验过程要求学生观察实验现象、记录实验现象,最后完成实验报告。
教师可补充下列实验内容:
a.用浓氨水、氧化钙(或氢氧化钠固体)制氨气;
操作方案:利用实验制氯气的实验装置,在烧中加入氧化钙,分液漏斗中加入浓氨水,逐滴往氧化钙中加入浓氨水。可根据加入浓氨水的速度控制放出氨气的速度。
b.浓氨水跟浓盐酸反应产生浓烟现象
操作方案:在一个干燥的大烧杯中,分别把一块蘸有浓氨水、一块蘸有浓盐酸的棉花分开放入大烧杯里,可看到烧杯中有大量白烟产生。此时可提示学生观察白烟主要是在蘸有浓盐酸的棉球上方产生还是在蘸有浓氨水的棉球上方?并让学生分析原因。(一)教学目的
1.理解串联电路的总电阻跟各个串联电阻的关系,并能推导出来;
2.会运用串联电路的特性和欧姆定律解决简单的串联电路问题;
3.初步领会等效替换法和分析综合法的基本思想,以及分析电路问题的思路.
(二)教具
6伏电源,2欧、3欧、5欧、10欧定值电阻各一个,演示用安培计、伏特计、开关、滑动变阻器各一个.
(三)教学过程
1.提出问题引入新课
教师:如果你的收音机不响了,检查后发现有一个200欧姆的电阻烧坏了,需要更换.但是你手边又只有一个100欧和几个50欧的电阻,能否用它们组合起来,使组合的电阻相当于一个200欧的电阻呢?学习了电阻的串联的知识后,你就会知道这种等效替换是容易实现的.
板书:电阻的串联
2.新课教学
教师:把电阻一个接一个地连接起来,就叫电阻的串联.(板画图l,但其中的I、U1、U2、……等暂不标出)下面我们通过实验来找出串联电路的总电阻跟各个串联电阻的关系.为此我们先要根据欧姆定律,用伏安法测出每一个电阻的阻值,再测串联电路的总电阻值.(板画图2和实验记录表格,接着进行演示.边实验读取数据,边让学生计算阻值和填写记录表)
演示实验(1)分别先后将2欧、3欧、5欧定值电阻接于图2的A、B之间,测算其阻值.
(2)撤去5欧电阻时,不移动变阻器滑动片的位置,把2欧和3欧电阻串联起来接于A、B之间,发现安培计和伏特计的读数跟接5欧电阻时相同.教师说明,2欧和3欧电阻串联后的等效电阻(总电阻)为5欧.
(3)把10欧电阻接入A、B之间,测算其电阻值.
(4)撤去10欧电阻,但保持变阻器滑动片位置不变,把2欧、3欧、5欧电阻串联后接到A、B间,发现安培计和伏特计示数跟接10欧电阻时相同,说明串联总电阻是10欧.
教师:大家分析一下实验记录,看串联电路的总电阻跟各个串联电阻有什么关系?(学生答后,教师要求学生将结论填入课本上留出的空白处)
教师:刚才的实验不仅得出了串联电路的总电阻等于各串联电阻之和,而且还看到,当用2欧、3欧电阻串联后去代替5欧电阻或用2、3、5欧电阻串联代替10欧电阻时,电路中的电流、电压跟接5欧或10欧电阻时一样.这就是说用2、3欧或2、3、5欧的串联电阻替换5欧或10欧电阻时,没有改变电路的电流、电压效果.所以常常把串联电路的总电阻叫做等效电阻,即这个串联电路等效于一个阻值为一定的电阻.用几个电阻联成电路去等效替换一个电阻,或用一个电阻去等效替换一个电路的方法叫等效替换法.现在大家用等效替换法解决这节课开头时提出的问题:怎样用一个100欧的电阻和几个50欧的电阻去替换一个200欧的电阻?(学生齐答)
教师:回答得好!请大家根据决定导体电阻大小的因素想一想,为什么导体串联起来后的总电阻会比其中任何一个电阻都大呢?(若学生迟疑,可指导学生看课文中相应的叙述)
教师:刚才实验得出的电阻关系可不可以运用我们已学过的欧姆定律及关于串联电路的电流和电压知识推导出来呢?可以的!为此先在电路图(图1)上把各个电阻和整个电路的电流、电压用下标区别标志出来(教师标志).应用欧姆定律于串联电路和每一个电阻,得(以下教师一边解说推导思路一边板书,下面括号中的内容可以只叙述,不板书出来)
板书:电阻关系式的推导:由I=U/R,U=IR
(分别对串联电路和各个电阻得)
U=IR,U1=I1R1,U2=I2R2,U3=I3R3(1)
(根据前面学到的串联电路知识可知)
I=I1=I2=I3(2)
U=U1+U2+U3(3)
∴IR=IR1+IR2+IR3
R=R1+R2+R3(4)
教师:(4)式与实验结论一致.推导的根据是欧姆定律和串联电路的电流、电压特点,这也是我们解串联电路时的根据.从推导中看到,欧姆定律既可用于各个导体,也可能用于整个电路.这时要注意各个电阻的U、I、R要用不同的下标区别,且同一电阻的U、I、R要用相同的下标,以正确表达欧姆定律公式中各量是同一导体的量,解电路时这样“下标配套”是避免出现“张冠李戴”的错误的好措施.
3.应用
教师:请大家阅读课本例题1和2.(例题题文和解从略)阅读时注意领会课文在解题之前对问题的分析,理清解题思路和步骤.(学生阅读5分钟,教师板画出图3和图4后巡视答疑)请哪位同学说说例题1的解题步骤?(学生会根据课文的分析答:“先求出R1、R2串联的总电阻,再根据欧姆定律求出电路中的电流”)
教师:回答出了解题的主要步骤.有一点请大家注意,课文分析中首先提出的是“画出电路图”,这个解题的准备步骤很重要,根据题意画出电路结构图,并把已知量的符号(包括下标)、数据和待求量的符号标在图上,使题意在图上一目了然,便于我们分析已知量和待求量的联系,迅速理清解题思路.这个技能大家在解题时要注意练习,学到手.
例题1的解题思路是这样的,先从与已知量(R1、R2)相关的规律(R=R1+R2)出发,解出与待求量(电路电流)相关的未知量(R),然后再用与待求量相关的规律求出待求量.简单说就是从已知分析到待求.
板书:分析问题的思路:已知→待求
这种思路对解答较简单的问题是简捷有效的.
分析问题也可以沿着相反的思路进行,即从与待求量(I)相关的规律(I=U/R)出发,沿着“为求得待求量I,已知U,需求未知量R,而R与规律R=R1+R2相联系,R1、R2已知,故I可求.简单说,就是从待求分析到已知.这思路可用下面的图式表示.
板书:待求→已知
在分析比较复杂的问题时,这种分析思路容易找准分析方向,可以形象地叫做“跟踪追击”,从未知跟踪到已知.比如,例题2的分析思路可以这样进行:边板书边解释)
分析清楚后,可以像课本那样书写:先解(B)、(C)两式,最后解(A)式,请大家从R=R1+R2出发分析“跟踪追击”,找出例题2的另一种解法.(全体学生练,请一位优等生到黑板上解)
教师:刚才的解法的分析思路可表达如下:
教师:从例题的解答中还可以看出,所根据的规律分为两类:一类是串联电路整体的物理量(“总”量)与每一个电阻的同种物理量(“部分”量)的关系,即(2)、(3)、(4)式;另一类是每一个电阻或整个电路的电流、电压、电阻的关系,即用欧姆定律表达出的(1)式.因此,我们在分析问题时,既要分析一个电阻上各量的关系,又要分析各电阻与整个串联电路的联系.这种把整体和部分联系起来综合分析的方法,既是课本导出(4)式的基本方法,也是我们今后分析处理电路问题的基本方法,大家要细心领会.
板书:分析问题的方法:
等效替代法;
综合分析法.
4.小结
教师:到现在为止,我们学习了电学的两类规律,初步接触到了等效替代法和整体、部分综合分析法.请大家在复习和练习中注意领会上述内容,并用以去解答课本“想想议议”中提出的问题(其内容是:“猜猜看,把电阻R1、R2、R3、…Rn串联起来,它们的总电阻是多少?你能够用推导的方法来证明你的猜想吗?”),希望能有同学找到不止一种证明方法.
5.布置作业
(1)一根铜线和一根镍铬合金线,长短粗细都相同,把它们串联在电路里,哪根导线上的电压大?哪根导线中的电流大?为什么?
(2)把一个内电阻r=0.1欧的安培表与一个R=100欧的电阻串联后接在电源上,与电路中不接安培表比较,安培表接入对电路有什么影响?这种影响在什么情况下可以忽略不计?在我们所做的实验中都没有考虑这种影响,为什么?
(3)试证明,由电阻R1、R2串联后接在电源上,串联电路的总电压与任一电阻上的电压之比等于总电阻跟该电阻之比;两电阻上的电压跟两电阻的阻值成正比.
(四)设想、体会
1.本教案设计时,一方面遵循教材的编写思想,使学生明白物理规律既可以直接从实验得出,也可以用已知规律从理论上导出,注意设计和用好演示实验,对电阻关系式进行细致的推导.但重点落在充分运用教材的课首问题、实验结果、对电阻关系的推导,以及例题中涉及的物理实际问题,浅显具体地阐明分析问题的思路和方法.
2.演示实验的设计用了三个定值电阻和五步实验,两次得出电阻关系.这既为学生理解电阻关系式提供了事实依据,又为介绍等效方法和应用等效方法解决引出课题的问题提供了感性认识,使引入性问题、实验、讲授、论证统一起来,还为师生在思考和评议“想想议议”中用等效法进行论证奠定了基础.
3.教案设计让学生自己先看课文的例题及其分析与解,既是为了发挥学生学习的主动性,也是为了教师后面介绍分析问题的思路和方法创造较好的教学情境.相当一部分学生在阅读例题2的分析时,不易把握所用的推理方法(正反推理)及相应的思路.这就为教师阐述“跟踪追击”法(反向推理法)创造了事实基础和情绪基础.教案先利用例题1的简单情况介绍正向推理(已知—→待求)和反向推理(待求—→已知)方法,在分析例题2时,介绍反向推理的优点,并引导学生自己用反向推理方法从R=R1+R2出发分析问题,既强化了学生对反向推理方法的基本思路的认识,又通过一题多解向学生展示了解决问题的思路和方法不是唯一的.反向推理以其推理方向容易选准的特点而易于为初学者掌握,强化学生对它的认识是很有必要的.
4.欧姆定律中各量是同一电路或同一导体的量,对初学者来说是一个容易出错的问题.在串联电路的教学中第一次有了帮助学生正确认识这一点的客观条件.教学中应充分利用这一条件,强化学生对欧姆定律的理解和应用的认识.教案在推导出电阻关系后,特别强调“下标配套”,在讨论解题步骤时,对“画出题意图”一步加以强调,其目的之一就在于强化对欧姆定律及其应用的理解.
5.教案的这种安排,为下节课顺利学习并联电路打下了基础.把“想想议议”留到下节课开始去讨论,除了因为讨论思路和方法使课时稍偏紧的原因外,更主要的是在下节课开头来讨论,可以复习本节课涉及的分析思路和方法,为发挥学生学习的主动性,顺利学好并联电路的知识铺平道路.
注:本教案依据的教材是人教社初中物理第二册。
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