“平抛运动”教学设计

张利民 胡大志

摘 要：本节课的教学设计体现了新课程理念，坚持以学生为主体，坚持以“方法”为主线，强调规律的形成和知识的落实；借鉴了5E教学法进行课堂结构的组织，教学环节的设置；引入了二维运动传感器和计算机的结合使用，注重把实验“创新”带进课堂。

关键词：平抛运动；教学设计；5E教学法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）6-0028-5

1 教材分析

“平抛运动”是人教版高中物理（必修2）第五章第二节的内容，是高一学生由直线运动步入曲线运动的开端，是抛体运动的一个特例，在整个高中物理中有着十分重要的地位。

从内容上看，《全日制普通高中物理新课程标准》中“抛体运动”的内容标准为：会用运动合成与分解的方法分析抛体运动。其重点是平抛运动的规律及其运用，它联系了“自由落体运动”和“匀速直线运动”两种基本的直线运动规律。

从方法上看：平抛运动作为一种基本的匀变速曲线运动，它是“运动合成与分解方法”的具体实践应用。它是学生第一次运用“化曲为直”“化繁为简”的科学思想方法去解决曲线运动问题，这种思想方法对学生以后学习抛体运动和带电粒子在电场中的偏转等类平抛问题都能起到积极的迁移作用。

从教材安排上看：把平抛运动放在运动的合成与分解之后，有利于学生进一步认识分运动的独立性、等时性和合运动的等效性。

2 学情分析

通过高一的学习，学生对匀速直线运动和自由落体运动有了充分的认识。知道从牛顿第二定律出发，根据受力分析确定物体的运动规律，这是一种基本的物理思想方法。在力的合成与分解的学习中，知道用平行四边形法则进行矢量的加减运算。

在本章第一节中学习了运动的合成与分解的知识，知道了合运动、分运动以及运动的合成与分解所遵循的规律；知道了运动的合成与分解是处理曲线运动的基本方法，这为本节课在方法上铺平了道路。

3 设计思想

本节课的教学设计体现了新课程理念，坚持以学生为主体。强调基础知识的学习，注重物理学核心概念的建立；强调知识的构建过程，注重培养学生物理实验、科学探究能力。借鉴5E教学法[包含：引入（Engagement）、解释（Explanation）、探究（Exploration）、精致（Elaboration）、评价（Evaluation）]进行课堂结构的组织，设置了5个环节，主要教学流程如图1所示：

（1）游戏导入，激发兴趣

引入环节，利用Flash动画游戏“请你来当飞行员”进行师生之间的投弹比赛引入新课，渗透爱国主义教育，迅速抓住学生的注意力，让学生带着疑问开始学习，增强求知欲。在规律得出后，让学生运用学到的知识重玩游戏，体验知识带来成功后的喜悦感。

（2）对比实验，形成概念

科学始于观察，思维源于问题。在平抛运动的概念形成环节，设计对比实验：水平抛出的小球与水平抛出的羽毛，学生通过观察对比实验现象上的异同，回答老师预设的问题，就很容易得出物体的平抛运动其实是一种理想模型。

（3）化曲为直，探究验证

此环节设计最主要的目的是显化“运动合成与分解”的方法，在教学上形成清晰的“方法”主线，即：“为什么要分解？→怎样分解？→分解的理论依据是什么？→怎样进行实验验证？”在利用牛顿第二定律进行理论演绎的基础上，又引入了二维运动传感器和计算机结合进行实验探究和验证。

（4）精讲例题，总结规律

此环节三道例题的精选，重在落实平抛运动的规律，难度上层层递进。例题1，重点是求平抛运动的时间和水平射程，为学生重玩飞机投弹游戏，提高投弹的准确率提供了知识准备。例题2，通对求合位移，让学生明白“位移矢量三角”的重要性，并利用消元法推导出物体做平抛运动的轨迹方程，数理结合证明了这个轨迹是一条抛物线。例题3，通过求合速度，从而构建出“速度矢量三角”，得出平抛运动中速度规律。

（5）解释现象，学以致用

联系生活实际，分析解决问题，有利于学生进一步认识分运动的独立性和等时性。

4 教学目标

（一）知识与技能目标

（1）知道什么是平抛运动。

（2）知道平抛运动是匀变速曲线运动。

（3）知道平抛运动可以看成水平方向的匀速直线运动与竖直方向的自由落体运动的合运动，并且这两个运动互不影响具有独立性。

（4）理解平抛运动的规律，知道平抛运动的轨迹是一条抛物线。

（二）过程与方法目标

（1）通过对比演示实验的观察，概括出平抛运动的特点，培养学生的观察、分析能力。

（2）掌握“化曲为直”的研究平抛运动的方法，利用已知的直线运动的规律来研究复杂的曲线运动，渗透物理学等效代换的思想。

（3）初步学会用运动的合成与分解的思想来研究曲线运动的思维方法。

（4）通过对平抛运动位移和速度规律的分析，引导学生独立利用已有概念探索新知识，培养创造思维和独立学习能力。

（三）情感、态度与价值观目标

（1）会用平抛运动的规律解答有关问题，培养学生将所学知识应用于实践的意识和勇气。

（2）通过Flash 游戏引入新课，激发学生兴趣，增强学生的爱国意识。

5 教学重点

平抛运动的特点和规律。

6 教学难点

平抛运动在水平方向是匀速直线运动和在竖直方向是自由落体运动的实验探索过程，平抛运动的规律和推论的应用。

7 教学过程

（一）游戏导入，激发兴趣

师生共玩Flash游戏“请你来当飞行员”（图2），通过PK发现，老师的投弹准确率高于学生。教师设疑：为什么老师的投弹准确率会高于学生的投弹准确率？告诉学生学习完这节课的知识后，定能明白其中的缘由。由此引入这节课的课题——“平抛运动”。

（二）对比实验，形成概念

环节1：

对比实验一：沿图3所示弧型轨道从同一高度处释放小钢球多次；

对比实验二：如图4所示，用力水平抛羽毛多次。

观察钢球和羽毛的运动轨迹，分析为什么钢球的轨迹可重复，而羽毛的轨迹不可以重复？从而得出像钢球这样以水平初速度抛出，只受重力作用（阻力相对于重力可忽略）的运动是平抛运动，运动的轨迹是曲线。

环节2：

观察生活中的平抛运动图片（如图5、图6），强调平抛运动的轨迹——曲线，平抛运动是匀变速曲线运动。

（三）化曲为直，探究验证

环节1：

设疑：平抛运动是一种特殊的曲线运动，但我们并没有现存地解决曲线运动的方法，比如：求平抛运动中物体下落的时间t。就我们的知识储备而言，我们有直线运动的知识，上一节课我们学习了运动的合成与分解知识。能否考虑把这个实际的曲线运动看作合运动，根据合运动的效果把它分解成不同方向的直线运动，然后利用已有的直线运动的规律来解决曲线运动的问题？

环节2：

师生一起利用动力学知识分析物体的平抛运动。

师：分析图7所示动画，平抛物体的运动实际上是让物体向前运动的同时，又向下运动，因此可以考虑把平抛运动分解成哪两个方向的直线运动？

生：水平方向和竖直方向的两个直线运动。

师：这两个方向的直线运动分别满足什么运动规律？

引导学生根据牛二定律，从受力分析入手研究物体的运动，得出：

在水平方向上：物体不受力，加速度为0，运动状态不改变，做匀速直线运动；

在竖直方向上：物体只受重力，加速度为重力加速度g，且竖直方向的初速度为0，物体做自由落体运动。

环节3：

师：这是从动力学角度得出的结论，能不能从实验和运动学的角度加以验证呢？

师生一起借助用二维运动传感器和计算机组成的研究平抛运动的装置（图8），描绘出做平抛运动物体的轨迹（图9）。

首先把图9截图，然后复制照片到PPT文件中预设的表格所在页（方法见下备注），按“设置照片‘置于底层==>横纵等比缩小照片到合适大小==>移动表格，使表格第一个标志点与抛出点重合，缩放表格”的顺序进行相关操作，最后从图11可以得到图10中的预设点可视为平抛运动轨迹上的点。由此，对平抛运动可以分解成水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的观点完成了验证。

（备注：课前在PPT文件中做好一表格并“组合”成一整体，其中水平相邻格宽比例是1：1：1：1：1，竖直相邻格高比例是1：3：5：7：9，并在相应预设点上做明显标志以突出效果。横纵格宽只需相应成比例，互不相关，如图10所示。）

环节4：

实验：利用平抛竖落仪验证竖直方向的自由落体运动（分运动）与平抛运动（合运动）具有等时性（做实验时要提醒学生“听”两小球同时落地）。

环节5：

实验：利用平抛平移仪验证水平方向的匀速直线运动（分运动）与平抛运动（合运动）具有等时性（做实验时要提醒学生“看”两小球发生碰撞）。

从而得出竖直和水平方向的两个分运动具有等时性和独立性，再次强化平抛运动在水平方向和竖直方向的分运动分别是匀速直线运动和自由落体运动。

（四）例题精讲，总结规律

环节1：

精讲例1：一架战斗机以50 m/s的速度水平匀速飞行，飞行高度为4500 m。若战斗机要投弹击中地面目标，它应距目标水平距离多远时投弹？（不考虑空气阻力，g=10 m/s2）

通过例1学会以抛出点为坐标原点，水平方向为x轴（正方向和初速度v0的方向相同），竖直方向为y轴（正方向竖直向下），建立平面直角坐标系。进而掌握计算下落时间t和水平位移x（射程）的方法。

环节2：

请上课刚开始玩游戏的同学再次上台重玩游戏“请你来当飞行员”。引导学生利用例1中的平抛运动知识通过计算射程，提高投弹的命中率，让学生体会成功的喜悦，达到学以致用的效果。

环节3：

精讲例2：将小球以10 m/s的速度从5 m的高度水平抛出。求：整个过程的位移s？（不考虑空气阻力，g=10 m/s2）

通过例2让学生建立位移三角的概念（如图12），引导学生分析总结平抛运动位移规律。

环节4：

利用消元法推导物体做平抛运动的轨迹方程，过程如下：

数理结合，证明这个轨迹是一条抛物线，让学生明白数学名称——“抛物线”其实是从物理中来。

环节5：

精讲例3：将小球以10 m/s的速度从5 m的高度水平抛出。求：小球落地时的速度v。（不考虑空气阻力，g=10 m/s2）

通过例3让学生建立速度三角的概念（如图13），引导学生分析总结平抛运动速度规律。

环节6：

总结得出重要推论：速度偏角与位移偏角之间的关系为：tanφ=2tanθ。

（五）现象解释，学以致用

创设情景：如图14所示，动物管理员在树枝上寻找到一只丢失的猴子，立即用麻醉枪水平射击，猴子和枪口等高，设子弹从枪口水平射出的瞬间，精明的猴子便由静止开始自由下落，想落到地面后逃走。问：猴子能成功逃跑吗？（猴子会被击中吗？）大家猜一猜。

如图15所示，利用自制教具，进行实验演示，得出猴子会被击中的结论，并带领学生分析原因。

8 课堂小结

平抛运动是一种典型的匀变速曲线运动，也是我们第一次运用“化曲为直”的思想解决的物理曲线运动问题。在规律的运用上，联系了“自由落体运动”和“匀速直线运动”两种基本的直线运动规律。学好平抛运动，对我们以后学习抛体运动和带电粒子在电场中的偏转等类平抛问题打下坚实的基础。同学们要通过对课后习题的认真理解才能达到对知识更深一步的掌握。

9 布置作业

（1）将一个物体以10 m/s的速度从5 m的高度水平抛出。求：如果只将物体的离地高度h变大，则以上几问中t、x、s、φ、v、θ怎么变化？（不考虑空气阻力，g=10 m/s2）

（2）将一个物体以10 m/s的速度从5 m的高度水平抛出。求：如果只将水平方向的抛出速度变大，则以上几问中t、x、s、φ、v、θ怎么变化？（不考虑空气阻力，g=10 m/s2）

10 板书设计

平抛运动——理想模型

一、平抛运动的特点：

1.初速度方向为水平；2.只受重力作用；3.运动轨迹是曲线。

二、平抛运动的分解——化曲为直

竖直方向：自由落体运动

水平方向：匀速直线运动

三、平抛运动的规律

11 教学反思

（一）成功之处

（1）把“方法”带进了课堂。运用对比实验建立平抛运动这一理想模型，通过化曲为直、化繁为简对平抛运动进行分解，通过数理结合得出平抛运动的轨迹是一条抛物线，使学生在获得知识的同时，也获得了掌握这些知识的方法，可以说这是一节内容丰富的“方法”教育课。

（2）把“鼓励”带进了课堂。通过师生的双边活动，充分调动学生的积极性，使学生主动地和教师、教材、同学进行信息交流，形成了一种和谐、积极参与的教学气氛，体验成功带给学生的喜悦和鼓励。

（3）把“创新”带进了课堂。在使用常规现代教育技术，如PPT、Flash动画、图片的基础上，引入二维运动传感器和计算机的结合使用，一方面更为方便地描绘出了平抛运动物体的轨迹，另一方面也为平抛运动规律的得出及应用赢得了时间，增大了本节课的课堂容量。

（二）需要改进的地方

（1）对比实验是这节课实验的另一个亮点，学生对比观察：水平抛出的小球和水平抛出的羽毛的运动，强化了平抛运动是在忽略空气阻力的前提下的一种理想模型。在利用平抛竖落仪验证竖直方向的自由落体运动（分运动）与平抛运动（合运动）具有等时性环节，教师采用了两球同时落地听到一次声响的方法。可以考虑在利用平抛竖落仪进行实验前，将两个小球分别从不同高度同时丢下，让学生听到前后两次不同的声响，然后再进行平抛竖落仪的实验。这样学生能清楚地知道实验要注意什么——听声响，又因为有两次实验的对比，效果就会更好。

（2）在实验环节上“利用二维运动传感器和计算机描绘平抛运动的物体轨迹”目的是为了更为便捷地得到物体做平抛运动的运动轨迹，但其稳定性还有待加强。利用得到的图片轨迹和预设的表格轨迹重合的方法验证平抛运动可以分解成水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的方法虽然新颖但略显繁琐，可以考虑改为直接从计算机的图片轨迹上获得相等时间间隔水平方向的位移比为1︰1︰1……和竖直方向的位移比为1︰3︰5……，从而得到验证，这样可能更为简洁且更具说服力。

（3）在利用平抛平移仪验证水平方向的匀速直线运动（分运动）与平抛运动（合运动）具有等时性的实验环节，可以让学生利用自己的智能手机拍摄后进行慢放，准确捕捉两小球发生碰撞瞬间的画面，增强实验的可视性和可信度。

参考文献：

[1]王贤福.“探究平抛运动的规律”教学设计[J].物理教学探讨，2009，27（2）：68—70.

[2]陈伟孟，胡继超.平抛运动的情景式教学[J].物理教学探讨，2014，32（5）：74—76.

（栏目编辑 邓 磊）