基于物理情境與物理模型的教學(xué)設(shè)計(jì)

張鏈娜

摘要：高中物理知識(shí)的抽象性和思維邏輯性非常強(qiáng)，在教學(xué)過(guò)程中，創(chuàng)設(shè)合適的物理情境，建立合理的物理模型，可以幫助學(xué)生更好地掌握物理知識(shí)，同時(shí)調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的積極性。本文主要以《圓周運(yùn)動(dòng)》一課為例對(duì)物理情境與物理模型進(jìn)行具體運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：物理情境;物理模型;概念教學(xué)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》指出：“本課程標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步精選了學(xué)科內(nèi)容，重視以學(xué)科概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情景化，促進(jìn)學(xué)科素養(yǎng)的落實(shí)”?？梢?jiàn)新的課程標(biāo)準(zhǔn)也非常重視教學(xué)情景創(chuàng)設(shè)。創(chuàng)設(shè)物理情景，建立物理模型，優(yōu)化概念教學(xué)是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段之一。

1 ?教學(xué)思路

具體探討了“圓周運(yùn)動(dòng)”的知識(shí)點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)了以過(guò)山車、自行車為情景的模型，然后開(kāi)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)，分別探討出線速度、角速度的概念，以及二者之間的關(guān)系，最終引導(dǎo)學(xué)生具體應(yīng)用于實(shí)踐中。

2 ?教學(xué)過(guò)程

任務(wù)1. 認(rèn)識(shí)圓周運(yùn)動(dòng)

請(qǐng)大家觀察一下，抽獎(jiǎng)轉(zhuǎn)盤指針上的各點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的電風(fēng)扇葉片上的各點(diǎn)，蕩秋千的小孩，摩天輪的纜車車廂，這些運(yùn)動(dòng)的軌跡都有什么特點(diǎn)？生：軌跡都是圓。

我們今天就要來(lái)研究這一類特殊的曲線運(yùn)動(dòng)，我們把運(yùn)動(dòng)軌跡是圓或者圓弧的運(yùn)動(dòng)定義為圓周運(yùn)動(dòng)。

任務(wù)2. 線速度

【創(chuàng)設(shè)物理情景】請(qǐng)大家觀看一段過(guò)山車視頻，過(guò)山車如圖1所示，因其所處位置高，下來(lái)速度快讓人覺(jué)得特別驚險(xiǎn)。

【建立物理模型】實(shí)際的運(yùn)動(dòng)有點(diǎn)復(fù)雜，我們把它簡(jiǎn)化成如圖2所示的模型，用紙帶代替過(guò)山車，夾子所夾的位置表示車頭A點(diǎn)，在圓盤上取一點(diǎn)表示車尾B點(diǎn)，過(guò)山車參與的主要運(yùn)動(dòng)過(guò)程就是圓周運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)。對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)的快慢我們可以如何測(cè)量？

生：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，獲得紙帶，求速度。

如何來(lái)求B 點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)的速度呢？

師總結(jié)：當(dāng)B點(diǎn)沿著圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，A點(diǎn)做的是直線運(yùn)動(dòng)。我們知道車頭和車尾的運(yùn)動(dòng)快慢應(yīng)該相同。這里我們可以通過(guò)求得直線運(yùn)動(dòng)的速度間接得到了圓周運(yùn)動(dòng)的速度。對(duì)于今后描述圓周運(yùn)動(dòng)的快慢有什么啟示呢？

在相同時(shí)間里，A點(diǎn)下落的距離與B點(diǎn)沿圓周走過(guò)的弧長(zhǎng)相等。我們可以用弧長(zhǎng)/時(shí)間來(lái)描述圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)快慢，為了加以區(qū)分，我們把它稱之為線速度。它的單位也是m/s。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】把鉤碼掛到夾子尾部，B點(diǎn)轉(zhuǎn)到一側(cè)，打開(kāi)打點(diǎn)計(jì)時(shí)，然后放開(kāi)圓盤，關(guān)閉打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，取下紙帶，測(cè)量計(jì)算。

請(qǐng)問(wèn)一下這位同學(xué)，你是怎么測(cè)量計(jì)算的？你求得的速度是多大？

再問(wèn)一兩位同學(xué)，發(fā)現(xiàn)同學(xué)測(cè)量時(shí)所取點(diǎn)的個(gè)數(shù)有差異，即時(shí)間不同。當(dāng)所取時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)，求得的是平均速度;當(dāng)時(shí)間取得很短時(shí)，求得的是瞬時(shí)速度。對(duì)于線速度，也有平均線速度和瞬時(shí)線速度之分。

那么勻速圓周運(yùn)動(dòng)的“勻速”是指速度不變嗎？如果是速度，包括大小和方向。線速度有沒(méi)有方向？某時(shí)刻B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向就是該點(diǎn)切線方向，我們?cè)谇€運(yùn)動(dòng)中剛學(xué)過(guò)運(yùn)動(dòng)方向就是該點(diǎn)切線的方向，圓周運(yùn)動(dòng)作為一種特殊的曲線運(yùn)動(dòng)，同樣遵循該規(guī)律。所以，線速度是（矢量）。物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，線速度的方向時(shí)刻改變，這里的“勻速”是指速率保持不變。

任務(wù)3. 角速度

【創(chuàng)設(shè)物理情境】剛通過(guò)一個(gè)圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，學(xué)習(xí)了線速度的概念，我們來(lái)看看能不能很好地比較運(yùn)動(dòng)快慢了，比如對(duì)如圖3所示的自行車的大、小齒輪來(lái)比較看看。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們把該實(shí)物抽象成如圖4所示的模型來(lái)演示看看。

【建立物理模型】在老師轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，請(qǐng)大家觀察大輪邊緣的A點(diǎn)和小輪邊緣的B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，線速度大小是否相同？生：相同。

它們的運(yùn)動(dòng)快慢是否完全一樣了呢？

【演示實(shí)驗(yàn)】轉(zhuǎn)動(dòng)大輪半圈，或小輪一圈。

請(qǐng)學(xué)生來(lái)說(shuō)說(shuō)你觀察到，在大輪、小輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，有什么不同。

生：一個(gè)轉(zhuǎn)半圈，一個(gè)轉(zhuǎn)一圈，小輪轉(zhuǎn)得快。

相同時(shí)間，通過(guò)的弧長(zhǎng)是一樣的，轉(zhuǎn)得不一樣快。線速度能描述轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢嗎？我們?cè)诿枋鰣A周運(yùn)動(dòng)，只引入線速度夠嗎？不夠。還要引入什么速度呢？這個(gè)速度怎么定義？誰(shuí)來(lái)說(shuō)說(shuō)。我們可以用這個(gè)質(zhì)點(diǎn)所在的半徑掃過(guò)的角度與時(shí)間的比值來(lái)定義這個(gè)速度，給它取個(gè)名字，叫什么速度好呢？角速度。

任務(wù)4. 線速度與角速度的關(guān)系

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)模型中，A、B兩點(diǎn)的線速度大小相等時(shí)，半徑越大，角速度越小。

這是線速度、角速度比較重要的一個(gè)關(guān)系，我們?cè)賮?lái)看看，線速度、角速度還有什么關(guān)系？

【創(chuàng)設(shè)物理情境】我們來(lái)看一個(gè)視頻，大家思考，視頻里面每個(gè)士兵的運(yùn)動(dòng)有什么相同，有什么不同。下面我們請(qǐng)幾位同學(xué)模擬一下，像我這樣面對(duì)大家，以這位同學(xué)作為軸線，轉(zhuǎn)過(guò)90°，預(yù)備開(kāi)始?，F(xiàn)在大家分析分析，這四位同學(xué)剛才轉(zhuǎn)隊(duì)列的過(guò)程，線速度、角速度怎么樣？我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在這個(gè)過(guò)程中，角速度不變，半徑越大，線速度越大。

任務(wù)5. 應(yīng)用

【創(chuàng)設(shè)物理情境】老師這里有一臺(tái)電鉆，根據(jù)我們所學(xué)的內(nèi)容，大家能一起想辦法來(lái)測(cè)一下這個(gè)電鉆轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度嗎？

從定義出發(fā)好不好求？角度不好測(cè)，不好求。我們可以通過(guò)測(cè)線速度和半徑來(lái)求角速度。

【演示實(shí)驗(yàn)】電動(dòng)機(jī)連接紙帶，連接并打開(kāi)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，打開(kāi)電動(dòng)機(jī)電源，然后都斷開(kāi)，獲得紙帶，分給各組測(cè)量。這里我們就算一個(gè)大概的數(shù)值，半徑就直接用我所繞軸心的半徑5cm。

學(xué)生通過(guò)計(jì)算，得到角速度大概是幾十rad/s，我們知道轉(zhuǎn)一圈是2rad，電鉆在1s內(nèi)轉(zhuǎn)了幾圈？這邊老師在操作中已經(jīng)調(diào)慢了速度，現(xiàn)實(shí)操作中可以轉(zhuǎn)得更快。所以，我們生活中對(duì)于這類在單位時(shí)間內(nèi)可以轉(zhuǎn)很多圈的運(yùn)動(dòng)，又定義了一個(gè)物理量，轉(zhuǎn)速，即單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，單位。對(duì)于做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，我們也可以用轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間來(lái)描述它的轉(zhuǎn)動(dòng)快慢，用周期“T”表示，單位s。

參考文獻(xiàn)：

【1】徐清.物理情境和物理模型在物理教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].名師在線.2017.（01）.54-55.

【2】劉建浩.基于情境認(rèn)知與學(xué)習(xí)理論的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教師2019.40（7）.31-32.