基于物理情境與物理模型的教學設計

張鏈娜

摘要：高中物理知識的抽象性和思維邏輯性非常強，在教學過程中，創設合適的物理情境，建立合理的物理模型，可以幫助學生更好地掌握物理知識，同時調動學生對物理學習的積極性。本文主要以《圓周運動》一課為例對物理情境與物理模型進行具體運用。

關鍵詞：物理情境;物理模型;概念教學

《普通高中物理課程標準（2017版）》指出：“本課程標準，進一步精選了學科內容，重視以學科概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情景化，促進學科素養的落實”。可見新的課程標準也非常重視教學情景創設。創設物理情景，建立物理模型，優化概念教學是落實學科核心素養的重要手段之一。

1 ?教學思路

具體探討了“圓周運動”的知識點，創設了以過山車、自行車為情景的模型，然后開展學生實驗，分別探討出線速度、角速度的概念，以及二者之間的關系，最終引導學生具體應用于實踐中。

2 ?教學過程

任務1. 認識圓周運動

請大家觀察一下，抽獎轉盤指針上的各點，轉動的電風扇葉片上的各點，蕩秋千的小孩，摩天輪的纜車車廂，這些運動的軌跡都有什么特點？生：軌跡都是圓。

我們今天就要來研究這一類特殊的曲線運動，我們把運動軌跡是圓或者圓弧的運動定義為圓周運動。

任務2. 線速度

【創設物理情景】請大家觀看一段過山車視頻，過山車如圖1所示，因其所處位置高，下來速度快讓人覺得特別驚險。

【建立物理模型】實際的運動有點復雜，我們把它簡化成如圖2所示的模型，用紙帶代替過山車，夾子所夾的位置表示車頭A點，在圓盤上取一點表示車尾B點，過山車參與的主要運動過程就是圓周運動和直線運動。對于直線運動的快慢我們可以如何測量？

生：打點計時器，獲得紙帶，求速度。

如何來求B 點做圓周運動的速度呢？

師總結：當B點沿著圓周運動時，A點做的是直線運動。我們知道車頭和車尾的運動快慢應該相同。這里我們可以通過求得直線運動的速度間接得到了圓周運動的速度。對于今后描述圓周運動的快慢有什么啟示呢？

在相同時間里，A點下落的距離與B點沿圓周走過的弧長相等。我們可以用弧長/時間來描述圓周運動的運動快慢，為了加以區分，我們把它稱之為線速度。它的單位也是m/s。

【學生實驗】把鉤碼掛到夾子尾部，B點轉到一側，打開打點計時，然后放開圓盤，關閉打點計時器，取下紙帶，測量計算。

請問一下這位同學，你是怎么測量計算的？你求得的速度是多大？

再問一兩位同學，發現同學測量時所取點的個數有差異，即時間不同。當所取時間比較長時，求得的是平均速度;當時間取得很短時，求得的是瞬時速度。對于線速度，也有平均線速度和瞬時線速度之分。

那么勻速圓周運動的“勻速”是指速度不變嗎？如果是速度，包括大小和方向。線速度有沒有方向？某時刻B點的運動方向就是該點切線方向，我們在曲線運動中剛學過運動方向就是該點切線的方向，圓周運動作為一種特殊的曲線運動，同樣遵循該規律。所以，線速度是（矢量）。物體做勻速圓周運動時，線速度的方向時刻改變，這里的“勻速”是指速率保持不變。

任務3. 角速度

【創設物理情境】剛通過一個圓盤的轉動，學習了線速度的概念，我們來看看能不能很好地比較運動快慢了，比如對如圖3所示的自行車的大、小齒輪來比較看看。為了簡化問題，我們把該實物抽象成如圖4所示的模型來演示看看。

【建立物理模型】在老師轉動的過程中，請大家觀察大輪邊緣的A點和小輪邊緣的B點的運動情況，線速度大小是否相同？生：相同。

它們的運動快慢是否完全一樣了呢？

【演示實驗】轉動大輪半圈，或小輪一圈。

請學生來說說你觀察到，在大輪、小輪轉動過程中，有什么不同。

生：一個轉半圈，一個轉一圈，小輪轉得快。

相同時間，通過的弧長是一樣的，轉得不一樣快。線速度能描述轉動的快慢嗎？我們在描述圓周運動，只引入線速度夠嗎？不夠。還要引入什么速度呢？這個速度怎么定義？誰來說說。我們可以用這個質點所在的半徑掃過的角度與時間的比值來定義這個速度，給它取個名字，叫什么速度好呢？角速度。

任務4. 線速度與角速度的關系

我們會發現，在這個模型中，A、B兩點的線速度大小相等時，半徑越大，角速度越小。

這是線速度、角速度比較重要的一個關系，我們再來看看，線速度、角速度還有什么關系？

【創設物理情境】我們來看一個視頻，大家思考，視頻里面每個士兵的運動有什么相同，有什么不同。下面我們請幾位同學模擬一下，像我這樣面對大家，以這位同學作為軸線，轉過90°，預備開始。現在大家分析分析，這四位同學剛才轉隊列的過程，線速度、角速度怎么樣？我們會發現在這個過程中，角速度不變，半徑越大，線速度越大。

任務5. 應用

【創設物理情境】老師這里有一臺電鉆，根據我們所學的內容，大家能一起想辦法來測一下這個電鉆轉動時的角速度嗎？

從定義出發好不好求？角度不好測，不好求。我們可以通過測線速度和半徑來求角速度。

【演示實驗】電動機連接紙帶，連接并打開打點計時器，打開電動機電源，然后都斷開，獲得紙帶，分給各組測量。這里我們就算一個大概的數值，半徑就直接用我所繞軸心的半徑5cm。

學生通過計算，得到角速度大概是幾十rad/s，我們知道轉一圈是2rad，電鉆在1s內轉了幾圈？這邊老師在操作中已經調慢了速度，現實操作中可以轉得更快。所以，我們生活中對于這類在單位時間內可以轉很多圈的運動，又定義了一個物理量，轉速，即單位時間內轉過的圈數，單位。對于做勻速圓周運動的物體，我們也可以用轉一圈所用的時間來描述它的轉動快慢，用周期“T”表示，單位s。

參考文獻：

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

【2】劉建浩.基于情境認知與學習理論的教學設計[J].物理教師2019.40（7）.31-32.