基于核心素養(yǎng)的高中物理概念教學(xué)設(shè)計

王偉全 費(fèi)金有

摘要：物理概念是高中物理教學(xué)的核心內(nèi)容之一，文章以“摩擦力”一課為例，設(shè)計了基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)方案，并探討了如何發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng) ?高中物理 ?摩擦力

一、內(nèi)容分析

摩擦力是高中力學(xué)三類常見的力之一，是受力分析的基礎(chǔ)，為后面牛頓運(yùn)動定理、動能定理的學(xué)習(xí)打下知識基礎(chǔ)，所以本節(jié)課在整個高中物理學(xué)習(xí)中具有重要的地位和作用。

二、教學(xué)目標(biāo)

第一，認(rèn)識摩擦力。學(xué)生應(yīng)知道滑動摩擦力和靜摩擦力現(xiàn)象，能用動摩擦因數(shù)計算滑動摩擦力的大小。

第二，體會控制變量法的物理思維。學(xué)生應(yīng)學(xué)會利用二力平衡的方法求解靜摩擦力的方向和大小。

第三，通過實驗探究影響滑動摩擦力大小的因素，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

第四，調(diào)查生活中利用或避免摩擦力的實例，讓學(xué)生形成“物理來源于生活，應(yīng)用于生活”的意識。

三、教學(xué)方法

第一，通過靜摩擦力的產(chǎn)生條件和方向，類比得出滑動摩擦力的產(chǎn)生條件和方向。

第二，運(yùn)用創(chuàng)設(shè)情境——提出問題——自主探究——交流討論——歸納總結(jié)的流程進(jìn)行教學(xué)。

四、教學(xué)過程

（一）靜摩擦力

教師演示實驗：用彈簧測力計沿水平方向拉木塊，手拿瓶子，并提出問題：“靜摩擦力產(chǎn)生的條件是什么？”

經(jīng)過啟發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生討論，學(xué)生能得出結(jié)論，摩擦力的產(chǎn)生有兩個條件：兩個物體相互接觸且有彈力，兩個物體之間有相互運(yùn)動趨勢。

（二）滑動摩擦力

比較靜摩擦力和滑動摩擦力，得出滑動摩擦力的產(chǎn)生條件與方向。

教師提出問題：“滑動摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)？”同時介紹演示實驗——將木塊放在傳送帶上并與彈簧秤相連，打開電源時，傳送帶勻速運(yùn)動，而木塊保持靜止。

在學(xué)生以小組為單位完成實驗后，教師可引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：滑動摩擦力大小和接觸面之間的正壓力成正比，與物體之間的接觸材料和接觸面的粗糙程度有關(guān)。

（三）靜摩擦力與滑動摩擦力的關(guān)系

教師提出問題：“在相同的條件下，最大靜摩擦力和滑動摩擦力誰更大呢？”然后提供兩種實驗方案：方案一，用記憶彈簧秤比對;方案二，用動態(tài)力傳感器顯示。

教師演示實驗，用小電機(jī)拉木塊，木塊從靜止?fàn)顟B(tài)到勻速運(yùn)動。通過兩個方案的探究得到了同樣的結(jié)論——滑動摩擦力比最大靜摩擦力稍小。

（四）聯(lián)系生活與實際

教師提出問題：“生活有哪些摩擦力，如果摩擦力消失了，世界將會變成什么樣？”

在學(xué)生回答后，教師指導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實際，建立起摩擦力與生活的聯(lián)系。

教師再次提問：“摩擦力是有益的還是有害的？”同時列舉有益摩擦力和有害摩擦力。

五、教學(xué)評價

在“摩擦力”一課的教學(xué)設(shè)計中，教師圍繞教學(xué)目標(biāo)設(shè)計了教學(xué)過程和教學(xué)活動，滲透了核心素養(yǎng)的基本理念。貫穿整節(jié)課的探究實驗和隨堂實驗不僅創(chuàng)設(shè)了學(xué)習(xí)情境，還加深了學(xué)生對知識的理解，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維，增強(qiáng)了學(xué)生的實踐意識，提高了學(xué)生科學(xué)探究的能力，全方位培養(yǎng)了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

六、課堂實錄

教師說道：“上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了彈力，知道彈力是因為相互接觸的物體，因為擠壓發(fā)生形變，在接觸面上產(chǎn)生的恢復(fù)形變的一種力，請同學(xué)們伸出手掌，按在桌面上下壓，你們能感受到桌面對手掌的彈力嗎？”

學(xué)生齊聲回答：“能?！?/p>

教師繼續(xù)說：“好的，接著完成下一個動作，保持壓力不變，沿著桌面推手掌，有沒有感到一種阻礙手掌啟動和運(yùn)動的力？這個力時時相伴我們，卻容易被我們忽視，這就是摩擦力?！?/p>

教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生：“在剛才的實驗中，阻礙手掌啟動的力產(chǎn)生在兩個相對靜止，但是有運(yùn)動趨勢的物體之間，它叫靜摩擦力;當(dāng)手掌啟動以后，阻礙手掌運(yùn)動的力發(fā)生在兩個相互接觸，又有相對運(yùn)動的物體之間，我們把這個力叫滑動摩擦力。今天，我們就一起來認(rèn)識它們?！?/p>

此時，學(xué)生都躍躍欲試，異常興奮。教師說道：“我們先來看靜摩擦力，和前面學(xué)習(xí)彈力一樣，要想認(rèn)識一個力，就要從它的產(chǎn)生條件、大小和方向說起。我們把木塊放在水平長木板上，用彈簧測力計沿水平方向拉木塊。同學(xué)們請看，彈簧測力計有了讀數(shù)，而木塊依然靜止?，F(xiàn)在，我輕輕拿起一個瓶子，靜止在半空不動，這兩個我們生活中常見的景象中，能探尋到有關(guān)靜摩擦力的哪些信息呢？回顧剛才的實驗，彈簧測力計給木塊施加了哪個方向的拉力？木塊想往哪個方向運(yùn)動？”

學(xué)生1回答：“向左。”

教師追問：“那么為什么木塊沒有運(yùn)動呢？”

學(xué)生2回答：“因為與木板的摩擦力?！?/p>

教師繼續(xù)說：“請同學(xué)們再看，當(dāng)我撤去拉力時，摩擦力還存在嗎？”

學(xué)生齊答：“不存在。”

教師說：“從剛才的現(xiàn)象中，我們不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加向左的拉力時，木塊想往左運(yùn)動，這時摩擦力出現(xiàn)了;當(dāng)撤去拉力，木塊待在原地不動時，摩擦力消失了。我們是不是可以得到一個結(jié)論？”

學(xué)生齊答：“摩擦力與相對運(yùn)動趨勢有關(guān)。”

教師繼續(xù)說：“同學(xué)們再看，當(dāng)我拿起瓶子，在重力的作用下，為什么瓶子沒有下落呢？”

學(xué)生3回答：“因為手與瓶子之間存在摩擦力?！?/p>

教師問：“摩擦力是什么方向？”

學(xué)生3回答：“是向上的?！?/p>

教師再問：“如果我把手松開一點，松到手和瓶子之間的彈力等于0時，瓶子掉下去了，那么從這個現(xiàn)象中，我們又能得到什么結(jié)論？”

學(xué)生3回答：“摩擦力可能與彈力有關(guān)。”

教師繼續(xù)引導(dǎo)：“剛才同學(xué)們說出了摩擦力產(chǎn)生的兩個條件，兩個物體相互接觸且有彈力，便有了相互運(yùn)動趨勢，那么是不是只有這兩個條件就可以了呢？”

此時，教師請男女生各一名上來做游戲，用兩雙不同的筷子將相同重量的砝碼夾到砝碼盤中，看誰夾得快。

比賽結(jié)束后，教師說道：“一般來說，男同學(xué)的力氣要比女同學(xué)大，怎么男同學(xué)夾了半天也夾不進(jìn)去呢？你們仔細(xì)觀察筷子就會發(fā)現(xiàn)，男同學(xué)是光滑的塑料筷，女同學(xué)是粗糙的竹筷。這樣看來，靜摩擦力產(chǎn)生的第三個條件就是接觸面間必須粗糙?！?/p>

教師說：“我們再看靜摩擦力的大小和方向，回到剛才的木塊實驗，木塊受到木板對他的靜摩擦力是什么方向呢？”

學(xué)生答：“向右，因為如果摩擦力方向和拉力方向一致的話，木塊肯定運(yùn)動起來了，但是木塊是靜止的，所以靜摩擦力肯定在阻礙拉力作用。可見，拉力和靜摩擦力是一對平衡力?！?/p>

教師問：“沒錯，木塊受到向左的拉力，它靜止不動，而它受到的靜摩擦力必定向右。所以靜摩擦力和物體相對運(yùn)動趨勢相反?！?/p>

教師繼續(xù)引導(dǎo)：“我們回到剛才的實驗，請注意彈簧測力計示數(shù)。當(dāng)木塊靜止不動時，拉力和靜摩擦力總是保持二力平衡，拉力增大，靜摩擦力也增大，那么它能不能無限制地繼續(xù)增大呢？”

教師接著說：“繼續(xù)增大拉力，木塊終于移動了。這個現(xiàn)象說明靜摩擦力不能一直增大，有個最大值，這就是最大靜摩擦力。所以靜摩擦力的大小在0與最大靜摩擦力之間?！?/p>

教師說：“如果物體和地面之間發(fā)生了相對滑動，又是怎樣的一番情景呢？這就是我們要進(jìn)入的第二個話題——滑動摩擦力?！?/p>

教師說：“回到剛才的實驗，我們增大拉力，木塊不動，受到的還是靜摩擦力，繼續(xù)增大拉力，木塊運(yùn)動起來了，這時的彈簧測力計仍然有示數(shù)，這說明木塊運(yùn)動的過程依然受到木板的摩擦力，這個摩擦力就是滑動摩擦力。”

教師問：“滑動摩擦力，我們在初中已經(jīng)有了接觸，請同學(xué)們回憶一下并互相討論下，滑動摩擦力產(chǎn)生的條件是什么，它的方向有什么特點？”

學(xué)生回答：“滑動摩擦力產(chǎn)生條件是兩物體接觸且有彈力，兩物體間發(fā)生相對運(yùn)動，接觸面粗糙;滑動摩擦力的方向與物體的運(yùn)動方向相反?！?/p>

教師肯定道：“很好，同學(xué)們有沒有發(fā)現(xiàn)滑動摩擦力產(chǎn)生條件和靜摩擦力產(chǎn)生條件有些類似，它們的不同之處在哪里呢？”

教師說：“到了高中我們要進(jìn)一步定量的描述滑動摩擦力和接觸面之間的壓力到底有什么關(guān)系？現(xiàn)在請同學(xué)們用微型電機(jī)傳送帶來探究一下。”

此時，學(xué)生完成實驗，記錄數(shù)據(jù)。

教師問道：“同學(xué)們，觀察記錄的數(shù)據(jù)表格，你們有什么發(fā)現(xiàn)？”

學(xué)生回答：“物體所受的滑動摩擦力和壓力成正比，比例系數(shù)接近一個定值?！?/p>

教師解釋：“在誤差允許的范圍內(nèi)，我們可以認(rèn)為比例系數(shù)是一個定值，我們把它稱為動摩擦因數(shù)?；瑒幽Σ亮Υ笮『徒佑|面之間的正壓力成正比，比例常數(shù)我們稱為動摩擦因數(shù)，與物體之間的接觸材料和接觸面的粗糙程度有關(guān)?！?/p>

教師問道：“學(xué)完了滑動摩擦力，請同學(xué)們思考這樣一個問題，在相同的條件下，最大靜摩擦力和滑動摩擦力誰大呢？我們用記憶彈簧秤比對，當(dāng)拉力達(dá)到某一數(shù)值時木塊開始滑動，此時拉力會突然變小。滑動以后的示數(shù)有沒有最大靜摩擦力大？”

學(xué)生回答：“沒有?！?/p>

教師繼續(xù)說：“接下來，大家看大屏幕，這可以看出最大靜摩擦力比滑動摩擦力要大。”

實驗結(jié)束后，我們得到了同樣的結(jié)論，那就是滑動摩擦力比最大靜摩擦力稍小。

教師引導(dǎo)學(xué)生：“我們身邊存在大大小小、形形色色的摩擦力，只要注意觀察便能找出許多，你能舉出幾個例子嗎？再構(gòu)想一下，如果這個世界沒有摩擦力，將是怎樣的一番情景？”

學(xué)生1回答：“溜冰、拖動桌子的時候都能感受到摩擦力，汽車輪胎與地面也有摩擦力，如果沒有摩擦力，每天都會有車禍發(fā)生?！?/p>

學(xué)生2回答：“人走路的時候也有摩擦力，打籃球的時候，如果沒有摩擦力，手就抓不住籃球了?！?/p>

教師繼續(xù)說：“可以說，摩擦力在生活中處處存在。”接著，教師可展示劉翔跨欄和F1賽車的視頻，分析劉翔起跑后的后蹬腳和賽車啟動后驅(qū)動輪所受摩擦力的情況?！?/p>

教師總結(jié)：“摩擦力有時是有益，有時是有害的。所以在生活中，我們要學(xué)會利用摩擦力解決問題?！?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]廖伯琴.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）要點解讀[J].物理教學(xué)，2020（2）.

（作者單位：吉林師范大學(xué)）