彭長禮 朱小瓊

(江西省南康中學(xué) 江西 贛州 341400)

王利峰

(贛州市南康區(qū)教研室 江西 贛州 341400)

1 教材分析和設(shè)計(jì)思路

人教版普通高中教科書《物理》必修第二冊(cè)2019年版第五章第1節(jié)“曲線運(yùn)動(dòng)”是整章教學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)．學(xué)生已經(jīng)學(xué)過直線運(yùn)動(dòng)、牛頓運(yùn)動(dòng)定律，對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系有了一定的認(rèn)識(shí)．曲線運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的顯著區(qū)別是它的速度方向時(shí)刻在變化，教學(xué)中通過“生活體驗(yàn)(播放視頻)→實(shí)驗(yàn)探究→理論認(rèn)知→學(xué)生實(shí)驗(yàn)”逐步推進(jìn)的方式來解決曲線運(yùn)動(dòng)速度方向的確定問題．關(guān)于物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件的教學(xué)，可以讓學(xué)生先依據(jù)“彩色板實(shí)驗(yàn)”提出猜想，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究．

教材先研究曲線運(yùn)動(dòng)的方向，然后研究物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件．從認(rèn)知結(jié)構(gòu)上看，曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向是軌跡上某點(diǎn)的切線方向，只反映曲線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，而曲線運(yùn)動(dòng)的條件則是動(dòng)力學(xué)特征，因此教材的安排較好地符合先研究運(yùn)動(dòng)特征、再分析運(yùn)動(dòng)原因的認(rèn)識(shí)之路．從對(duì)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)建構(gòu)的過程來看，知道曲線運(yùn)動(dòng)的方向只是知道一個(gè)事物的結(jié)果，掌握曲線運(yùn)動(dòng)發(fā)生的條件才能理解出現(xiàn)該結(jié)果的原因，這樣才能在邏輯上有利于學(xué)生深刻理解本節(jié)的兩個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容．

2 核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)

2.1 物理觀念

(1)知道曲線運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度方向，能運(yùn)用極限思維理解瞬時(shí)速度的方向，并會(huì)在軌跡圖上畫出某點(diǎn)的速度方向．

(2)理解曲線運(yùn)動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng)，物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件．

(3)能運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析曲線運(yùn)動(dòng)的條件，掌握速度和合外力方向與曲線彎曲情況之間的關(guān)系，進(jìn)一步理解運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念．

2.2 科學(xué)思維

通過探究的過程，讓學(xué)生體會(huì)得到結(jié)論的科學(xué)方法：歸納法、極限法、實(shí)驗(yàn)法.

2.3 科學(xué)探究

通過實(shí)驗(yàn)探究過程組織學(xué)生總結(jié)出曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向，物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件．

2.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

體會(huì)當(dāng)所取變量范圍足夠小時(shí)，變和不變的統(tǒng)一性、曲和直的統(tǒng)一性，滲透辯證唯物主義世界觀．

3 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

重點(diǎn)：物體做曲線運(yùn)動(dòng)的方向的確定，物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件．

難點(diǎn)：理解曲線運(yùn)動(dòng)的方向，物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件，能用曲線運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際的問題．

4 教學(xué)資源

課件、自制的曲線運(yùn)動(dòng)方向演示儀器、自制的探究曲線運(yùn)動(dòng)方向的學(xué)生實(shí)驗(yàn)儀器、自制的曲線運(yùn)動(dòng)條件演示儀器、自制的探究曲線運(yùn)動(dòng)條件的學(xué)生實(shí)驗(yàn)儀器．

5 教學(xué)流程圖

“曲線運(yùn)動(dòng)”教學(xué)的流程如圖1所示.

圖1 “曲線運(yùn)動(dòng)”教學(xué)流程

6 課時(shí)安排

“曲線運(yùn)動(dòng)”一節(jié)教學(xué)用時(shí)1課時(shí).

7 教學(xué)用具

多媒體，積木塊，木板，鐵球，印泥，電路板，白板，橡皮筋，鐵塊，磁鐵等．

8 教學(xué)案例

8.1 發(fā)糖引入課題 建立概念

(1)創(chuàng)建物理情境：教師拋糖，學(xué)生踴躍接糖.

(2)提出問題：糖是做直線運(yùn)動(dòng)嗎？它的運(yùn)動(dòng)軌跡是怎樣的？

(3)引導(dǎo)學(xué)生類比直線運(yùn)動(dòng)概念得出曲線運(yùn)動(dòng)概念——軌跡是曲線的運(yùn)動(dòng).

(4)教師列舉生活中曲線運(yùn)動(dòng)的實(shí)例：汽車在彎道上的運(yùn)動(dòng)，水珠在空中的運(yùn)動(dòng)，過山車的運(yùn)動(dòng)(課件播放動(dòng)圖)．

(5)學(xué)生活動(dòng)：相互分享其他曲線運(yùn)動(dòng)的實(shí)例．

目的：注重曲線運(yùn)動(dòng)概念的形成過程．

8.2 新課教學(xué)

曲線運(yùn)動(dòng)很普遍，如何研究它呢？根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，物體如何運(yùn)動(dòng)是由速度和合外力共同決定的．那么，我們就從這兩個(gè)方面來研究曲線運(yùn)動(dòng)．先來研究速度方向的特點(diǎn)．

8.2.1 速度方向

(1)播放“砂輪打磨工件”的視頻，如圖1所示.

圖1 火星沿切線方向飛出

問題：

1)砂輪邊緣某點(diǎn)做什么運(yùn)動(dòng)？(沿圓周做曲線運(yùn)動(dòng))

2)火星沿什么方向飛出？(切線)

3)火星飛出方向是砂輪邊緣該點(diǎn)的速度方向嗎？(是)

學(xué)生小結(jié)：砂輪邊緣某點(diǎn)速度方向沿圓的切線方向．

目的：從生活現(xiàn)象中得出曲線運(yùn)動(dòng)速度方向．

(2)演示實(shí)驗(yàn)：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)“小球”做圓周運(yùn)動(dòng)，電磁鐵斷電后，觀察小球飛出后的痕跡與軌跡圓有什么關(guān)系？如圖2所示.

圖2 小球沿切線方向飛出

學(xué)生小結(jié)：小球飛出時(shí)的速度方向沿圓的切線方向．

目的：從實(shí)驗(yàn)中得出曲線運(yùn)動(dòng)速度方向．

(3)理論驗(yàn)證一般的曲線運(yùn)動(dòng)，速度方向也沿切線方向．

問題：一般的曲線運(yùn)動(dòng)，切線如何定義？速度方向是否也沿曲線在該點(diǎn)的切線方向？

教師活動(dòng)：多媒體演示“從割線到切線的動(dòng)圖”.

學(xué)生活動(dòng)：研讀課本第3頁中間部分內(nèi)容，思考學(xué)案中探究一的問題并相互分享答案．

學(xué)案中探究一的問題：

1)圖3中，判斷哪條是切線？ 哪條是割線？

圖3 曲線的切線

2)曲線的切線與割線有什么關(guān)聯(lián)？

3)曲線是某一質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，某質(zhì)點(diǎn)從B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)，請(qǐng)確定質(zhì)點(diǎn)的平均速度方向？

4)在滿足什么條件下，可以把B到A過程的平均速度方向看作A點(diǎn)瞬時(shí)速度方向？

學(xué)生小結(jié)：從理論的角度說明了做一般曲線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)在某點(diǎn)的速度方向沿曲線在該點(diǎn)的切線方向．

目的：類比“割線”與“平均速度方向”、“切線”與“瞬時(shí)速度方向”，“割線→切線過程”與“平均速度→瞬時(shí)速度過程”引導(dǎo)學(xué)生用類比、極限思維方法處理問題．

(4)學(xué)生實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證曲線運(yùn)動(dòng)速度方向沿曲線在該點(diǎn)的切線方向．

實(shí)驗(yàn)器材、過程的介紹：如圖4所示，木板水平放置，白紙平鋪在木板上，用彩色板在白紙上擺一條彎曲的軌道，讓沾有印泥的小鋼球從斜槽最高點(diǎn)釋放，獲得速度后將在軌道內(nèi)做曲線運(yùn)動(dòng)，從出口A離開后會(huì)在白紙上留下一條運(yùn)動(dòng)的痕跡，記錄了小鋼球在A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向．依次撤去彩色板，出口改在B點(diǎn)和C點(diǎn)，用同樣方法可以記錄小鋼球在B和C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向．

圖4 演示鋼球離開軌道時(shí)速度的方向

學(xué)生活動(dòng)：分工協(xié)作參照學(xué)案中探究二的步驟完成實(shí)驗(yàn)．

學(xué)案中探究二的步驟：

1)按圖5(a)所示擺放白紙，注意白紙右邊與木板右端平齊.

2)按圖5(b)所示擺放彩色板，注意彩色板左邊與斜槽口齊平，兩側(cè)靠近木板.

3)將沾有印泥的小鋼球從斜槽最高點(diǎn)滾下，觀察小球的運(yùn)動(dòng)，并在軌跡上標(biāo)出離開出口A的位置(即在出口A處的軌跡上標(biāo)記a)．

4)按圖5(c)所示，移除彩色板1，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察小鋼球的運(yùn)動(dòng)，并在軌跡上標(biāo)出離開出口B的位置(即在出口B處的軌跡上標(biāo)記b)．

5)按圖5(d)所示，移除彩色板2和5，再次實(shí)驗(yàn)，觀察小鋼球的運(yùn)動(dòng)，并在軌跡上標(biāo)出離開出口C的位置(即在出口C處的軌跡上標(biāo)記c)．

6)畫出a，b，c位置的速度方向．

圖5 探究二步聚

學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論：質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度方向沿曲線在這一點(diǎn)的切線方向，如圖6所示.

圖6 鋼球在出口的速度方向

8.2.2 曲線運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)——變速運(yùn)動(dòng)

問題：當(dāng)一個(gè)物體做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的速度可能不變嗎？

生：不可能，曲線運(yùn)動(dòng)中不同位置切線方向是不同的，速度方向就時(shí)刻在發(fā)生變化，所以曲線運(yùn)動(dòng)是一種變速運(yùn)動(dòng)．

8.2.3 物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件

(1)引入問題：曲線運(yùn)動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng)，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，合外力可能為零嗎？(不會(huì))那么合外力有什么特點(diǎn)呢？

學(xué)生思考圖7中：小球經(jīng)過c，b，a這3點(diǎn)的受力情況？球與哪些彩色板有擠壓?(用上面的數(shù)字表示)

圖7 思考出口處的彈力方向

學(xué)生活動(dòng)：相互討論，交流，分享結(jié)果，觀察①、④、⑤位置沾有印泥，分析出受力情況．

師：有的同學(xué)也注意到了，若不規(guī)范操作實(shí)驗(yàn)，也會(huì)導(dǎo)致彩色板上②、③、⑥位置也有可能沾有印泥，為此，老師對(duì)你們的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行了改進(jìn)．

教師介紹實(shí)驗(yàn)：燈、鋁箔紙、電源組成串聯(lián)電路，可以通過燈亮不亮來顯示球與哪些彩色板有擠壓．小球不沾印泥，在鋁箔紙上運(yùn)動(dòng)，也大大減小了摩擦力．小球相當(dāng)于觸發(fā)器，碰①位置，①燈將會(huì)常亮；碰②位置，②燈將常亮；依次觸碰6盞燈，相繼亮起.開始實(shí)驗(yàn)前，讓燈全部熄滅．

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：小球從斜槽上靜止釋放，學(xué)生們觀察到①、④、⑤燈亮，如圖8所示.

圖8 用燈泡常亮展示出口受力

學(xué)生活動(dòng)：分析合力方向．

師生合作得出結(jié)論：物體做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，合外力方向與速度方向不共線．

(2)學(xué)生活動(dòng)：通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件．

實(shí)驗(yàn)器材：如圖9所示，帶有橡皮筋的白板，磁鐵，插有筆芯的鐵塊．

圖9 探究曲線運(yùn)動(dòng)條件的器材

學(xué)生活動(dòng)：設(shè)計(jì)方案開始實(shí)驗(yàn)．

學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖10所示，得出結(jié)論：合力方向與速度方向不共線.

總結(jié)：大量實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)物體所受合力的方向與它的速度方向不在同一直線上時(shí)，物體做曲線運(yùn)動(dòng).

問題：曲線運(yùn)動(dòng)合外力一定會(huì)變嗎？(進(jìn)一步理解曲線運(yùn)動(dòng)的條件)

創(chuàng)設(shè)情境：小球斜向上拋出.

學(xué)生活動(dòng)：如圖11所示，做出小球經(jīng)過A，B，C這3個(gè)位置的合力方向，速度方向？(相對(duì)重力，空氣阻力可忽略不計(jì))．

圖11 小球斜向上拋出

小結(jié)：小球的合外力是重力，這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明，做曲線運(yùn)動(dòng)的條件取決于合外力方向與速度方向不共線，與合外力是恒力還是變力無關(guān)．

問題：合外力方向還有什么其他特點(diǎn)？

教師引導(dǎo)學(xué)生回答：指向軌跡凹側(cè).

8.2.4 應(yīng)用

物理來自于生活，更要應(yīng)用于生活．請(qǐng)同學(xué)們?yōu)閳D12中，這位勇敢的騎手解決后背之憂．為這輛自行車設(shè)計(jì)簡潔實(shí)用的擋泥板，并在學(xué)案中畫出來．

圖12 泥水飛濺到騎手身上

學(xué)案中的應(yīng)用的內(nèi)容：

(1)相對(duì)騎車人來說，圖13中各點(diǎn)速度方向如何？

圖13 車輪邊緣各點(diǎn)速度方向

(2)車輪上哪個(gè)范圍的泥水可能會(huì)濺到騎車人的身上？

(3)請(qǐng)你給自行車后輪設(shè)計(jì)一塊實(shí)用的擋泥板，大致畫出安裝位置和形狀．

學(xué)生活動(dòng)：設(shè)計(jì)討論，完成學(xué)案，課后去車棚觀察各類型車輛的擋泥板．

8.2.5 小結(jié)

這節(jié)課學(xué)習(xí)了曲線運(yùn)動(dòng)定義、速度的方向以及物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件．

8.2.6 作業(yè)

課后學(xué)生們自制飛鏢，體會(huì)速度方向與軌跡曲線的關(guān)系．在投擲飛鏢的整個(gè)過程中要注意安全．可利用手機(jī)視頻的“慢動(dòng)作”功能拍攝飛鏢投擲畫面，課件展示動(dòng)圖14，學(xué)生們可做參考．并完成課本后面的練習(xí)．

9 板書設(shè)計(jì)

本節(jié)課板書設(shè)計(jì)如圖15所示.

10 案例評(píng)析

“曲線運(yùn)動(dòng)”這一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，以新課程理念為指導(dǎo)，利用生活中的實(shí)例創(chuàng)設(shè)情境，分析問題，并設(shè)置兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)、兩個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)探究的完整過程，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、探究能力、自己觀察現(xiàn)象并總結(jié)的能力．在獲取知識(shí)的同時(shí)，還體會(huì)了物理學(xué)“類比”“極限”思維方法．本節(jié)課用實(shí)驗(yàn)突破難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)過程中要引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)該放手讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，即使實(shí)驗(yàn)方案不符合要求，也要加以鼓勵(lì)．不僅要注重力與運(yùn)動(dòng)相互觀的形成，更要注重物理思維能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)．