核心素養(yǎng)下的高中物理課堂教學設計

摘? ?要：高中物理核心素養(yǎng)由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度和責任四個方面構成。如何在高中物理課堂教學中落實物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)？以“科學探究：向心力”為例，著重解決核心素養(yǎng)下如何進行向心力的教學設計和為什么這樣設計兩大方面。第一大方面著重解決設計思路：以什么方式建立向心力這個基本概念，以什么為切入點分析向心力的來源，向心力有哪些影響因素，如何科學探究向心力大小與這些因素的關系，如何測量向心力，能得出什么結論。第二大方面著重解決設計理由：為什么這么設計，向心加速度和向心力兩個概念應先講哪個概念合適。

關鍵詞：核心素養(yǎng);課堂教學;向心力;向心加速度

1? 教學設計

1.1? 問題串設計

①物體的運動狀態(tài)用哪個物理量描述？速度v。

怎樣才算運動狀態(tài)發(fā)生改變？速度是矢量，大小和方向中，只要有一個改變了，就說運動狀態(tài)發(fā)生了變化。

②勻速圓周運動物體，其運動狀態(tài)是否改變？

改變了，速度大小雖然不變，但是速度方向（沿著軌跡的切線方向）時刻發(fā)生改變。

③勻速圓周運動物體，運動狀態(tài)有改變，其合外力能為0嗎？

合外力一定不為零。狀態(tài)的維持不需要力，狀態(tài)的改變需要力的作用。

④勻速圓周運動物體，速度大小不變，方向變了，說明其合力的方向有什么特點？

【隨堂實驗】：感受勻速圓周運動的受力特征

如圖1，細線拽著小球在水平桌面上做圓周運動，然后松手。

注意事項：①細線不能太短，也不要太長，大概是在桌面空間能夠完成的這么個長度;②細線盡量與桌面平行。

生邊做實驗邊思考：什么力讓小球的速度方向改變？依據(jù)？

生：細線拉力F（指向圓心）讓小球速度方向改變（理由：松手后，球就偏離圓軌道飛出去）

說明：勻速圓周運動物體，始終受到指向圓心的合外力作用（結合理論解釋），即如圖2所示。

⑤勻速圓周運動物體，其合外力始終指向圓心，如果給這么特殊的力命名下，該怎么命名呢？ 向心力（非常準確到位?。?/p>

1.2? 向心力

① 定義：做勻速圓周運動的物體所受到的、始終指向圓心的合外力，叫向心力。

②作用效果：只改變v的方向，不改變v的大小。

問：向心力是否為一種新的性質的力？

思考：前面的隨堂實驗中，什么力充當小球的向心力？

生：如圖3所示，細線拉力F讓小球速度方向改變，即細線拉力（或合力）充當向心力。

【演示實驗】圓錐擺

思考：小球受到哪些力的作用？什么力改變小球的運動方向？

結論：如圖4所示，拉力F和重力G的合力（或如圖5所示，拉力F的分力F1）充當向心力。

③來源：向心力不是某種特殊性質的力，它可能由某個力，或者某個力的分力，或者某幾個力的合力來充當。

特別提醒：受力分析時， 不要把向心力當作一個獨立的力。

④向心力大小

【定性研究】影響向心力大小的因素（演示實驗）

演示實驗：如圖6所示，取一根空心管（圓珠筆筆筒），一根細線穿過空心管，細線的一端系一個輕橡皮塞，另一端系一個重鉤碼，掄動空心管讓橡皮塞做圓周運動，提住重鉤碼。不轉或轉得慢，橡皮塞被往管口方向拽過去，無法提住鉤碼。

問1：想讓橡皮塞做圓周運動提住重鉤碼，怎么辦？繞大圈點，轉快點。

教師演示，學生驚呼！

問2：忽略橡皮塞的重力，橡皮塞做圓周運動的向心力由什么力充當？細線拉力。

問3：橡皮塞做圓周運動的向心力大小可以用哪個力的大小來衡量？鉤碼重力大小。

問4：想提住更重的鉤碼，即讓橡皮塞有更大的向心力，可以怎么辦？繞大圈點，轉快點，橡皮塞稍重點。

猜想：向心力大小可能與物體的質量m、軌道半徑r、轉動的快慢有關。

【半定量研究】? 方法：控制變量法

a.保持r、ω一定時? F與m？

b.保持ω 、m一定時? F與r？

c.保持r、m一定時? ?F與ω？

向心力演示儀：

儀器介紹：如圖7所示，手搖手柄，兩塔輪、長槽和短槽跟隨轉動起來，左邊倒立塔輪和短槽共軸，右邊塔輪和長槽共軸。球放在槽中擋板處跟隨槽做圓周運動，擋板對球的彈力提供球做圓周運動的向心力，反過來，球對擋板的壓力使得套筒向下壓彈簧露出刻度，露出的刻度可反映球對擋板的壓力，進而反映球做圓周運動的向心力大小。與圖8對應的兩塔輪各層的半徑r與對應的角速度ω關系如表1所示。

思考：老師手上有三個大小相同的球（兩個相同的鋼球和一個鋁球），質量比為2∶2∶1。長槽兩擋板至軸距離為2r、r，短槽至軸距離為r。從前面的分析中，我們還知道兩塔輪在不同層的角速度之比。大家想想：該如何探究向心力大小與物體質量m、軌道半徑r、轉動的快慢等三個因素之間的關系呢？

a.F與m？

用鋼球和鋁球做對照實驗，讓它們軌道半徑r和ω相同（皮帶放在第一層），結果如表2所示。

b.F與r？

用兩個相同鋼球做對照實驗，讓它們ω相同（皮帶放在第一層）、軌道半徑r不同，結果如表3所示。

c.F與ω？

用兩個相同鋼球做對照實驗，讓它們軌道半徑r相同、角速度ω不同，結果如表4所示。

【定量研究】DIS向心力演示儀

a.儀器介紹：如圖9所示，長槽一側有一滑桿（可在不同位置固定金屬塊），另一側有擋光桿（結合光電門可測擋光桿過光電門時的瞬時速度）。長槽可繞其中心軸轉動，金屬塊跟隨槽做圓周運動。問：金屬塊做圓周運動的向心力由什么力提供？滑桿對金屬塊的摩擦力;

b.測向心力大?。悍催^來，金屬塊對滑桿也有向外的摩擦力，通過轉換頭向下拉拉力傳感器，拉力傳感器的示數(shù)可以反映金屬塊做圓周運動向心力的大小;

c.測角速度：利用擋光桿過光電門的瞬時速度以及擋光桿至軸的距離，可得擋光桿繞中心軸轉動的角速度，即為金屬塊繞中心軸轉動的角速度;

d.測半徑：金屬塊下面有標尺，從標尺可以讀出金屬塊做圓周運動的軌道半徑;

e.測質量：設備提供兩個金屬塊，分別是24 g和12 g，不需要測量;

f.測量：得到幾條圖像，如圖10所示。

【結論】r、m一定，F(xiàn)與ω2成正比;

m、ω一定，F(xiàn)與r成正比;

r、ω一定，F(xiàn)與m成正比;

即F=kmω2r

問：k是個常數(shù)，有量綱嗎？

推導：mω2r=m（）2r=m

mω2r的量綱：kg·=kg·m/s2=N，與F的量綱一樣，故k是個無量綱的常數(shù)，k=？兩種角度確定k值：

a.測出F、m、r、ω，得出k值

b.從運動學角度證明勻速圓周運動物體的加速度就是ω2r，推導證明圖11所示。 由圖11可得k=1，則F=mω2r。

說明：質量為m的質點，在半徑為r的圓周上做勻速圓周運動，線速度為v，角速度為ω，所需向心力的大小為F。

2? 設計緣由和思考

本節(jié)課通常的教學模式有兩種：①從運動學角度理論推導出勻速圓周運動的加速度的大小和方向，得出其加速度始終指向圓心（因此稱為向心加速度），大小為ω2r，然后根據(jù)牛頓第二定律得出合外力也始終指向圓心（因此稱為向心力），大小為mω2r，最后利用向心力演示器驗證向心力與質量m、軌道半徑r和角速度ω的關系。②從力學角度進行科學探究向心力的大小，得到向心力的大小，進而得到向心加速度。兩種模式各有優(yōu)缺點。按照模式①的教學方式，理論推導向心加速度的過程，學生不好理解，但一旦推導出加速度的大小和方向，就很容易得出向心力的大小和方向。按照模式②的教學方式，從力的角度入手學生容易理解，因為學生容易感受到的是力而不是加速度，加速度太抽象了，但是存在比例系數(shù)k等不等于1的問題。筆者在教學設計時，考慮到本節(jié)課為科學探究課，因此采用模式②進行教學設計。如何處理模式②中比例系數(shù)k等不等于1的問題呢？筆者咨詢組內的幾位同仁，有教師說得出F=kmω2r后，如果m取1 kg，ω取1 rad/s，r取1 m，則對應F就是1 N，故k等于1，但是這樣的解釋很牽強，因為之前在得出牛頓第二定律時，從實驗角度得出后，由此定義使1 kg物體產(chǎn)生1 m/s2的加速度對應的合外力大小即為1 N，故k等于1。但是在此，如果還是這么認為的話，不免讓人認為又重新定義1 N，邏輯上有點說不通。還有同仁認為ω2r的量綱和加速度a的量綱一樣，則類似于探究牛頓第二定律，同樣可得出k等于1，但是在此存在一個問題：我們還不知道勻速圓周運動的加速度到底是ω2r還是kω2r，因此還是很難確定k等不等于1。最終筆者采用兩種方案去確定k值：a.利用DIS向心力演示儀測出F、m、r、ω，得出k值;b.從運動學角度證明勻速圓周運動物體的加速度就ω2r是，則根據(jù)牛頓第二定律可得k等于1，即采用模式①和②相結合的方法。筆者的這種處理方式要用2個課時才能比較完美地完成該內容的教學，這樣上課會從容點，課堂內容也會比較飽滿，實驗可以做的更充分，更具說服力。

本節(jié)課筆者采用問題串的形式層層深入引入向心力概念，以向心力的作用效果（改變速度方向）為切入點，讓學生去感受向心力，分析兩個實例中的向心力來源，學生易于接受理解。分析向心力的來源研究向心力時，有學生的隨堂實驗，也有教師的演示實驗，從定性到半定量再到定量角度，層層遞進研究探究向心力大小和質量、角速度、半徑的定量關系，最后得出結論。研究過程中注重啟發(fā)學生思考：怎么探究？怎么控制變量（具體怎么操作）？怎么測量向心力大?。ㄊ紫纫却_定向心力的來源，測量這個力就等于測量向心力大?。?？能得出什么結論？怎么確定比例系數(shù)？上課過程中注重啟發(fā)學生思考，形成物理觀念;注重讓學生養(yǎng)成仔細觀察、善于發(fā)現(xiàn)、勤于思考的良好習慣，引領學生經(jīng)歷科學探究過程，體會科學探究方法，養(yǎng)成科學思維習慣，形成科學態(tài)度、科學世界觀和正確的價值觀。

3? 結束語

物理教學設計是一門藝術，指導思想是新一輪課改提出的“核心素養(yǎng)”[ 1 ]。教學設計的根本目的是：引導學生如何去發(fā)現(xiàn)問題，進而引導學生如何去解決問題，學生在思考與實踐中獲得知識與能力[ 2 ]。授人以魚，更要授人以漁，若干年后，學生也許忘記了大部分的知識，但是根深于腦海里的科學思維、方法和精神依然煥發(fā)著活力，伴隨著學生的一生。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版） [S].北京：人民教育出版社， 2018.

[2] 林清源. 核心素養(yǎng)下的高中物理課堂教學[J].天津教育，2021（2）：72-73.