高三物理生態(tài)課堂構(gòu)建的思考與實(shí)踐

徐 學(xué)

(江蘇省蘇州中學(xué)園區(qū)校,江蘇 蘇州 215021)

1 高三物理生態(tài)課堂構(gòu)建的思考

2014年教育部印發(fā)了《關(guān)于全面深化課程改革,落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)的意見》,文中提出“教育部將組織研究提出各學(xué)段學(xué)生發(fā)展的核心素養(yǎng)體系,明確學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力．2017年版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出高中物理課程是普通高中自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)課程,旨在落實(shí)立德樹人根本任務(wù),進(jìn)一步提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ),促進(jìn)人類科學(xué)事業(yè)的傳承與社會的發(fā)展．“學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力．物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面．”因此培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)是當(dāng)今教育改革的主流．課堂教學(xué)是教育教學(xué)的主陣地,也是落實(shí)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵所在,怎樣的物理課堂有利于物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)呢?筆者認(rèn)為高中物理生態(tài)課堂是一種好的教學(xué)模式．

何為高中物理生態(tài)課堂呢?從教育生態(tài)學(xué)來看,高中物理課堂是一個微型的生態(tài)系統(tǒng),是由教師、學(xué)生、環(huán)境(包括教師創(chuàng)設(shè)的各種情境,實(shí)物實(shí)驗(yàn),仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)物錄像及各種教材等非生物因素)3個因子組成,教師是主導(dǎo)因子,學(xué)生是主體因子,環(huán)境是環(huán)境因子,這3個因子相互影響,相互滲透形成一個有機(jī)的整體．它們之間的相互作用的過程可用圖1來表示.

圖中表示教師依據(jù)教學(xué)的內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際水平,設(shè)置好具有內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)的問題情境,借助實(shí)物實(shí)驗(yàn)、錄像及仿真實(shí)驗(yàn),教學(xué)課件和教材素材各種器材與手段積極引導(dǎo)學(xué)生主動探究,觀察思考,通過師生互動,生生合作,學(xué)生通過物理概念與物理規(guī)律的學(xué)習(xí),不斷內(nèi)化,從而形成物理核心素養(yǎng)．在課堂上教師循循善誘,創(chuàng)設(shè)的問題情境層層深入,由易及難,小步子,多臺階．通過各種方式與手段引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生在課堂上積極主動地投入到教師創(chuàng)設(shè)的各種情境中,認(rèn)真思考,主動探究．相互協(xié)作,氣氛熱烈．從而形成一個良好的正反饋．這樣的課堂就是筆者認(rèn)為的高中物理生態(tài)課堂．

圖1

目前的高三物理復(fù)習(xí)教學(xué),教學(xué)任務(wù)繁重,題目訓(xùn)練量大,教師猶如行色匆匆的趕路人,沿著章節(jié)急急忙忙趕進(jìn)度,圍著試卷反反復(fù)復(fù)做題目,對著學(xué)生滔滔不絕講要求,使物理教學(xué)失去了應(yīng)有的活力和魅力,導(dǎo)致學(xué)生感到枯燥乏味．研究如何構(gòu)建高三物理的生態(tài)課堂,夯實(shí)學(xué)生的核心素養(yǎng)有著非常重要的理論與現(xiàn)實(shí)的意義．不久前筆者開設(shè)一堂“帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動”的公開課,受到聽課專家與教師的好評．專家點(diǎn)評:“本節(jié)課通過環(huán)環(huán)相扣的問題并借助于信息技術(shù)的力量,把教師,學(xué)生和環(huán)境3個因子有機(jī)結(jié)合在一起,是高中物理生態(tài)課堂的一個好的案例．”因此筆者把本課的設(shè)計思想與教學(xué)流程呈現(xiàn)的給各位同行,作為拋磚引玉之用．

2 高三物理生態(tài)課堂構(gòu)建的實(shí)踐(帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動)

從教學(xué)內(nèi)容來看疊加場一般包括重力場、電場、磁場,指的是磁場與電場、磁場與重力場、電場與重力場在同一空間疊加,或者是3場在同一空間疊加．疊加場問題綜合性強(qiáng),覆蓋的考點(diǎn)多(如牛頓定律、動能定理、能量守恒和圓周運(yùn)動),是高考物理試題中的熱點(diǎn)、難點(diǎn)．是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)中科學(xué)思維能力的非常好的素材．從學(xué)生層面來分析,由于帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動時洛倫茲力會隨著速度的變化而變化,粒子的加速度也隨之發(fā)生變化,運(yùn)動的軌跡較為復(fù)雜,再加上帶電粒子在疊加場中運(yùn)動的情景不易用實(shí)物實(shí)驗(yàn)來展示,學(xué)生缺乏相應(yīng)的感性經(jīng)驗(yàn),因此解決相應(yīng)的問題覺得尤為困難．為了解決以上困難筆者設(shè)計了以下的教學(xué)環(huán)節(jié)．(1) 引入新課,點(diǎn)明主題．教師通過課件視頻展示各種帶電粒子在疊加場做直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動,還有周期性的運(yùn)動,提出本課研究的主題是帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動．(2) 帶電粒子在疊加場做直線運(yùn)動．通過討論帶電粒子在速度選擇器中的運(yùn)動性質(zhì),做直線運(yùn)動的受力特點(diǎn)．使學(xué)生體會到洛倫茲力的特點(diǎn)總是與速度方向垂直,永不做功,洛倫茲力的大小隨之速度的大小變化而變化,從而影響粒子運(yùn)動的性質(zhì).(3) 帶電粒子在疊加場中做圓周運(yùn)動．通過問題的引導(dǎo)使學(xué)生思考如何讓粒子進(jìn)入電場與磁場的疊加場后做勻速圓周運(yùn)動,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力,通過帶電粒子進(jìn)入有約束的圓槽的實(shí)例,使學(xué)生熟練掌握動能定理的應(yīng)用．(4) 帶電粒子在疊加場中做擺線運(yùn)動．通過靜止的帶電粒子在重力場與磁場構(gòu)成的疊加場中做擺線運(yùn)動的實(shí)例,使學(xué)生掌握機(jī)械能守恒定律,深刻理解向心力表達(dá)式中r的物理意義．(5) 提出問題,引發(fā)思考．通過幾何畫板課件,模擬了勻速圓周運(yùn)動與勻速直線運(yùn)動的合運(yùn)動,使學(xué)生體會到擺線運(yùn)動可以看成是勻速圓周運(yùn)動與勻速直線運(yùn)動的合運(yùn)動．為下節(jié)課利用合成與分解的思想解決該題作好鋪墊．

2.1 引入新課,點(diǎn)明主題

教師播放課件： 帶電粒子在各種疊加場的運(yùn)動．(直線運(yùn)動,曲線運(yùn)動,周期性的運(yùn)動,如圖2)

圖2

學(xué)生： 學(xué)生觀看課件.

教師講述： 我們看到帶電粒子在各種場中有的做直線運(yùn)動,有的做曲線運(yùn)動,有的做周期性運(yùn)動,而在它們運(yùn)動的空間同時存在著兩種或兩種以上的場,我們稱之為疊加場．疊加場問題綜合性強(qiáng),覆蓋的考點(diǎn)多(如牛頓定律、動能定理、能量守恒和圓周運(yùn)動),是高考物理試題中的熱點(diǎn)、難點(diǎn)．今天這堂課我們一起來復(fù)習(xí)疊加場問題．我們研究總是從簡單到復(fù)雜．因此我們先來研究帶電粒子在疊加場中做直線運(yùn)動．

點(diǎn)評： 通過仿真物理實(shí)驗(yàn)室展示帶電粒子在各種復(fù)合場中運(yùn)動,使學(xué)生對帶電粒子在疊加場的運(yùn)動情況有了感性的認(rèn)識,彌補(bǔ)帶電粒子在疊加場不能做實(shí)物實(shí)驗(yàn)的缺陷．課件展示之后學(xué)生對本課充滿著期望．

2.2 帶電粒子在疊加場中的直線運(yùn)動

圖3

例1.如圖3所示,水平放置的兩塊帶電金屬板a、b平行正對．極板長度為l,板間距為d,在極板的右側(cè)有一塊正中央開有小孔P的擋板．板間存在著方向豎直向下的勻強(qiáng)電場E和垂直于紙面向里磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場．假設(shè)電場、磁場只存在于兩板間的空間區(qū)域．一質(zhì)量為m的帶電荷量為+q的粒子(不計重力及空氣阻力),正對著小孔以水平速度v0從兩極板的左端中間O點(diǎn)射入場區(qū),則下列說法正確的是

(D) 如果粒子從小孔處以v0水平向左運(yùn)動,則仍將做直線運(yùn)動.

學(xué)生回答： 答案(C)是正確的．認(rèn)為粒子在水平方向上做勻速直線運(yùn)動．在豎直方向上做勻加速直線運(yùn)動．所以粒子做勻變速運(yùn)動．

師生共同討論： 當(dāng)粒子向下偏轉(zhuǎn)時,粒子的洛倫茲力不做功,電場力做正功．根據(jù)動能定理,帶電粒子的速度將增大,由洛倫茲力f=qvB可知,洛倫茲力的大小將增大,而且洛倫茲力的方向總是垂直于速度的方向,隨著粒子向下偏轉(zhuǎn)．速度方向向下偏轉(zhuǎn),洛倫茲力的方向也隨之順時針偏轉(zhuǎn)．因此帶電粒子的合力隨時間而變化,帶電粒子將做變加速曲線運(yùn)動．

課件展示： 教師播放課件,動態(tài)展示帶電粒子在不同時刻的速度與洛倫茲力的矢量(如圖4)．

圖4

點(diǎn)評： 通過仿真物理實(shí)驗(yàn)室展示帶電粒子在不同時刻的速度與洛倫茲力的矢量．使學(xué)生形象地觀察到洛倫茲力隨著速度的變化而變化．從而體會到洛倫茲力大小與速度的大小成正比,方向總與速度的方向垂直．

變式： 如圖5所示,兩虛線之間的空間內(nèi)存在著正交或平行的勻強(qiáng)電場E和勻強(qiáng)磁場B,有一個帶正電小球(電量為+q,質(zhì)量為m)從正交或平行的電磁復(fù)合場上方的某一高度自由落下,那么哪些圖中帶電小球可能沿直線通過下列電磁復(fù)合場?并在相應(yīng)的圖上畫出帶電小球所受的力．

圖5

學(xué)生： 應(yīng)當(dāng)選(A)、(C)、(D)．選(A)理由是當(dāng)帶電小球進(jìn)入電磁場時,如果電場力與磁場力大小相等,方向相反．重力方向與運(yùn)動方向相同．因此可以做直線運(yùn)動．

師生討論分析： 對于(A)選項(xiàng),假如進(jìn)入電磁場時電場力與磁場力大小相等,方向相反,但是豎直方向由于受到重力的作用,將繼續(xù)做加速直線運(yùn)動,從而引起洛倫茲力的大小增大,從而使帶電粒子將向右偏轉(zhuǎn)．因此(A)選項(xiàng)是錯誤的．

點(diǎn)評： 本題的(A)選項(xiàng)具有很大的誘導(dǎo)性．學(xué)生只顧著做直線運(yùn)動的條件是合力與速度在同一直線上就會做直線運(yùn)動的條件．但是忽略了洛倫茲力的大小與速度大小成正比的這一特點(diǎn)．只要速度的大小發(fā)生變化,且洛倫茲力發(fā)生作用,則洛倫茲力就會變化,從而引起帶電粒子的合力和加速度發(fā)生變化．通過本題與例1的討論使得學(xué)生對帶電粒子在疊加場中做直線的運(yùn)動的條件有了清晰的認(rèn)識:就是洛倫茲力一定是恒力．只要粒子運(yùn)動方向不與磁場平行(即洛倫茲力不等于0),則粒子做直線運(yùn)動的性質(zhì)是勻速直線運(yùn)動．

2.3 帶電粒子在疊加場中做圓周運(yùn)動

過渡： 剛才我們一起探討了帶電粒子在疊加場中做直線運(yùn)動受力特點(diǎn)與運(yùn)動性質(zhì),下面一起討論帶電粒子在疊加場中做曲線運(yùn)動的受力特點(diǎn),曲線運(yùn)動中勻速圓周運(yùn)動是一種比較完美的運(yùn)動形式,我們一起來探討一下．

圖6

思考： 如圖6一個帶正電小球從空中高為h處由靜止下落至圖中虛線區(qū)域由磁場與電場所組成的疊加場時做圓周運(yùn)動,已知電場強(qiáng)度為E,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B．(重力加速度為g)

(1) 試畫出虛線部分磁場與電場的方向．

(2) 分析電場力,磁場力與重力3者之間的關(guān)系．

學(xué)生討論與板演： 經(jīng)過學(xué)生分析,學(xué)生給出了在虛線區(qū)域由磁場與電場所組成的疊加場的組合方式有,磁場垂直于紙面向里和勻強(qiáng)電場方向豎直向上或磁場垂直紙面向外和勻強(qiáng)電場方向豎直向上．電場力與重力大小相等,方向相反．磁場的大小沒有確定的值．

課件展示: 教師播放課件,動態(tài)展示帶電粒子在電場與磁場及重力場3個場疊加區(qū)域的周期性的運(yùn)動(如圖7).

圖7

點(diǎn)評： 通過本思考題的設(shè)計,使得學(xué)生從命題者的角度來思考疊加場的設(shè)計．一方面培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散性思維與創(chuàng)新思維．另一方面使學(xué)生對帶電粒子在疊加場中做勻速圓周運(yùn)動受力特點(diǎn)有了清晰的理解．就是重力與電場力相互平衡,帶電粒子相當(dāng)于只受到洛倫茲力的作用,從而做勻速圓周運(yùn)動．最后通過課件的展示使學(xué)生獲得帶電粒子做周期性運(yùn)動的感性認(rèn)識．

思考： 上面我們一起研究了帶電粒子在疊加場中做勻速圓周運(yùn)動條件,如果上述的電場撤除,增加一些條件,能否使帶電粒子做圓周運(yùn)動呢?

學(xué)生討論： 可以在帶電粒子的下方放一個圓形凹槽,小球沿凹槽切線進(jìn)入就可以使帶電粒子做圓周運(yùn)動．

教師點(diǎn)評： 同學(xué)們的想法非常好,當(dāng)帶電粒子受到凹槽約束后就能沿圓周運(yùn)動,但是同學(xué)們同時也要考慮小球能否一定沿圓形凹槽運(yùn)動呢?現(xiàn)在我們先考慮小球沿凹槽做圓周運(yùn)動的實(shí)例(例2)．

圖8

例2.如圖8所示,半圓形的光滑固定凹槽的半徑為R,放置在一個垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場中,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,一個質(zhì)量為m,帶電量為+q的小球從凹槽的左邊邊緣由靜止開始釋放．(小球沿凹槽內(nèi)壁運(yùn)動)

(1) 求小球運(yùn)動到凹槽底部的速度;

(2) 求小球運(yùn)動至最低點(diǎn)時對凹槽的壓力的大小.

學(xué)生討論與板演： (1) 由動能定理

(1)

解得

(2)

(2) 在最低點(diǎn):

(3)

把式(2)代入得

(4)

由牛頓第三定律可得小球?qū)Π疾鄣膲毫Υ笮?/p>

教師展示課件： 教師展示帶電粒子在凹槽中來回運(yùn)動的動態(tài)情境．同時動態(tài)顯示重力,洛倫茲力和速度3個物理量．如圖9所示．[圖(a)小球的運(yùn)動是從左邊向右邊運(yùn)動,圖中的矢量表示洛倫茲力,圖(b)小球的運(yùn)動是從右邊向左邊運(yùn)動,圖中的矢量表示洛倫茲力]

圖9

學(xué)生恍然大悟： 原來在帶電粒子返回的過程中由于帶電粒子的運(yùn)動方向變化了,帶來了洛倫茲力的方向也變化了,因此對凹槽的壓力也將發(fā)生變化．

因此當(dāng)帶電粒子從右向左經(jīng)過最低點(diǎn)時

(5)

把(2)式代入(5)可得到

由牛頓第三定律可得

點(diǎn)評： 本題主要是考察學(xué)生理解洛倫茲力不做功．掌握利用動能定理和向心力公式解決圓周運(yùn)動問題的方法．同時考察帶電粒子在疊加場中運(yùn)動的多解性問題．當(dāng)教師通過課件展示帶電粒子在來回運(yùn)動過程中洛倫茲力方向的變化時,教室中出現(xiàn)了一片驚嘆之聲,學(xué)生們都恍然大悟．教師的課件用得恰到好處,達(dá)到了此地?zé)o聲勝有聲的效果．

2.4 帶電粒子在疊加場中做擺線運(yùn)動

思考： 如果讓帶電粒子由靜止釋放而沒有圓形凹槽來承接,那么它的軌跡將是怎樣的呢?

教師展示課件： 教師展示帶電粒子由靜止釋放在重力場與磁場的共同作用做擺線運(yùn)動(見圖10).

圖10

圖11

變式.(2008年江蘇高考)在場強(qiáng)為B的水平勻強(qiáng)磁場中,一質(zhì)量為m、帶正電q的小球在O點(diǎn)由靜止釋放,小球的運(yùn)動曲線如圖11所示.已知此曲線在最低點(diǎn)的曲率半徑為該點(diǎn)到x軸距離的2倍,重力加速度為g.求:

(1) 小球運(yùn)動到任意位置P(x,y)的速率v.

(2) 小球在運(yùn)動過程中第一次下降的最大距離ym.

學(xué)生討論與展示解題過程：

解析：(1)由動能定理

(1)

解得

(2)

(2) 由動能定理

(3)

在最低點(diǎn)

(4)

由r=2ym.

(5)

由(3)-(5)式解得

2.5 提出問題,引發(fā)思考

思考： (1) 如果上題中曲率半徑為該點(diǎn)到x軸距離的2倍這一條件缺失,能否求小球下降的最大距離ym.

教師展示課件： 教師出示幾何畫板的課件,操作1:質(zhì)點(diǎn)向右做勻速直線運(yùn)動．操作2:質(zhì)點(diǎn)做逆時針的勻速圓周運(yùn)動．操作3:質(zhì)點(diǎn)同時做向右的勻速直線運(yùn)動和逆時針的勻速圓周運(yùn)動，見圖12.

圖12

教師： 我們可以看到勻速直線運(yùn)動與勻速圓周運(yùn)動的合運(yùn)動(數(shù)學(xué)稱之為擺線)與我們剛才帶電粒子在重力場與磁場的疊加場中的運(yùn)動軌跡非常的相似．那剛才帶電粒子的運(yùn)動能否看作是這兩種運(yùn)動的合運(yùn)動呢?這個留給學(xué)生們課后思考．

點(diǎn)評： 本題是江蘇省的高考題,主要考察的動能定理,向心力公式相關(guān)知識．教師通過課件展示帶電粒子在疊加場中做擺線運(yùn)動,使學(xué)生對帶電粒子在重力場與磁場的疊加場的運(yùn)動軌跡有了感性認(rèn)識．又通過幾何畫板課件的展示啟發(fā)學(xué)生擺線運(yùn)動可以看作勻速直線運(yùn)動與勻速圓周運(yùn)動的合運(yùn)動．加強(qiáng)了學(xué)生思維的深度與廣度．

教學(xué)反思： 高三的復(fù)習(xí)課的作用是鞏固學(xué)生所學(xué)的物理概念和物理規(guī)律．由于在新課時物理概念與物理規(guī)律已經(jīng)學(xué)過,學(xué)生往往自我感覺良好．如果課堂教學(xué)只是采用“教師講,學(xué)生聽”較為單一的教學(xué)手段,則課堂氣氛勢必枯燥乏味,教學(xué)效果達(dá)不到預(yù)期的效果．本節(jié)課的主題是帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動．教學(xué)目標(biāo)使學(xué)生深刻理解洛倫茲力的特點(diǎn):洛倫茲力大小與速度大小成正比,方向總是與速度的方向垂直,洛倫茲力永不做功．對于帶電粒子作曲線運(yùn)動的常用解決的方案是動能定理與向心力公式的結(jié)合等．由于帶電粒子在疊加場中的運(yùn)動軌跡不易做實(shí)物實(shí)驗(yàn)來展示,而學(xué)生又缺乏相應(yīng)的感性認(rèn)識,特別是洛倫茲力與速度之間聯(lián)動的變化關(guān)系很難理解．從而易認(rèn)為粒子在疊加場中做勻變速曲線運(yùn)動．對于多解性問題會造成漏解現(xiàn)象．為了解決上述問題,筆者為每一個例題制作了相應(yīng)的課件,從課堂的實(shí)施來效果來看起到了相當(dāng)好的輔助效果．學(xué)生對帶電粒子在疊加場中受力特點(diǎn)與運(yùn)動軌跡之間的關(guān)系有了更深刻的理解．同時也掌握了利用動能定理,向心力公式解決相應(yīng)的疊加場問題．學(xué)生的科學(xué)思維得到了極大的鍛煉．從而提升了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．仿真課件的恰當(dāng)運(yùn)用使得抽象問題形象化,極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,課堂氣氛熱烈,學(xué)生參與度高,學(xué)生的思維投入度高．所以筆者認(rèn)為對于高三物理的復(fù)習(xí)課,如果對于帶電粒子在電磁場中這類不易做實(shí)物實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)課,仿真物理實(shí)驗(yàn)可以起到很好的輔助效果,這可能是構(gòu)建高三物理生態(tài)課堂的有效策略之一．