核心素養下的高中物理課堂教學設計

摘? ?要：高中物理核心素養由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態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的培養？以“科學探究：向心力”為例，著重解決核心素養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;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物體的運動狀態用哪個物理量描述？速度v。

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

②勻速圓周運動物體，其運動狀態是否改變？

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）時刻發生改變。

③勻速圓周運動物體，運動狀態有改變，其合外力能為0嗎？

合外力一定不為零。狀態的維持不需要力，狀態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？

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！）

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.測向心力大小：反過來，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與ω2成正比;

m、ω一定，F與r成正比;

r、ω一定，F與m成正比;

即F=kmω2r

問：k是個常數，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，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k等不等于1的問題。筆者在教學設計時，考慮到本節課為科學探究課，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）？怎么測量向心力大小（首先要先確定向心力的來源，測量這個力就等于測量向心力大小）？能得出什么結論？怎么確定比例系數？上課過程中注重啟發學生思考，形成物理觀念;注重讓學生養成仔細觀察、善于發現、勤于思考的良好習慣，引領學生經歷科學探究過程，體會科學探究方法，養成科學思維習慣，形成科學態度、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”[ 1 ]。教學設計的根本目的是：引導學生如何去發現問題，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. 核心素養下的高中物理課堂教學[J].天津教育，2021（2）：72-73.