核心素养下的高中物理课堂教学设计

摘   要：高中物理核心素养由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任四个方面构成。如何在高中物理课堂教学中落实物理学科核心素养的培养？以“科学探究：向心力”为例，着重解决核心素养下如何进行向心力的教学设计和为什么这样设计两大方面。第一大方面着重解决设计思路：以什么方式建立向心力这个基本概念，以什么为切入点分析向心力的来源，向心力有哪些影响因素，如何科学探究向心力大小与这些因素的关系，如何测量向心力，能得出什么结论。第二大方面着重解决设计理由：为什么这么设计，向心加速度和向心力两个概念应先讲哪个概念合适。

关键词：核心素养;课堂教学;向心力;向心加速度

1  教学设计

1.1  问题串设计

①物体的运动状态用哪个物理量描述？速度v。

怎样才算运动状态发生改变？速度是矢量，大小和方向中，只要有一个改变了，就说运动状态发生了变化。

②匀速圆周运动物体，其运动状态是否改变？

改变了，速度大小虽然不变，但是速度方向（沿着轨迹的切线方向）时刻发生改变。

③匀速圆周运动物体，运动状态有改变，其合外力能为0吗？

合外力一定不为零。状态的维持不需要力，状态的改变需要力的作用。

④匀速圆周运动物体，速度大小不变，方向变了，说明其合力的方向有什么特点？

【随堂实验】：感受匀速圆周运动的受力特征

如图1，细线拽着小球在水平桌面上做圆周运动，然后松手。

注意事项：①细线不能太短，也不要太长，大概是在桌面空间能够完成的这么个长度;②细线尽量与桌面平行。

生边做实验边思考：什么力让小球的速度方向改变？依据？

生：细线拉力F（指向圆心）让小球速度方向改变（理由：松手后，球就偏离圆轨道飞出去）

说明：匀速圆周运动物体，始终受到指向圆心的合外力作用（结合理论解释），即如图2所示。

⑤匀速圆周运动物体，其合外力始终指向圆心，如果给这么特殊的力命名下，该怎么命名呢？ 向心力（非常准确到位！）

1.2  向心力

① 定义：做匀速圆周运动的物体所受到的、始终指向圆心的合外力，叫向心力。

②作用效果：只改变v的方向，不改变v的大小。

问：向心力是否为一种新的性质的力？

思考：前面的随堂实验中，什么力充当小球的向心力？

生：如图3所示，细线拉力F让小球速度方向改变，即细线拉力（或合力）充当向心力。

【演示实验】圆锥摆

思考：小球受到哪些力的作用？什么力改变小球的运动方向？

结论：如图4所示，拉力F和重力G的合力（或如图5所示，拉力F的分力F1）充当向心力。

③来源：向心力不是某种特殊性质的力，它可能由某个力，或者某个力的分力，或者某几个力的合力来充当。

特别提醒：受力分析时， 不要把向心力当作一个独立的力。

④向心力大小

【定性研究】影响向心力大小的因素（演示实验）

演示实验：如图6所示，取一根空心管（圆珠笔笔筒），一根细线穿过空心管，细线的一端系一个轻橡皮塞，另一端系一个重钩码，抡动空心管让橡皮塞做圆周运动，提住重钩码。不转或转得慢，橡皮塞被往管口方向拽过去，无法提住钩码。

问1：想让橡皮塞做圆周运动提住重钩码，怎么办？绕大圈点，转快点。

教师演示，学生惊呼！

问2：忽略橡皮塞的重力，橡皮塞做圆周运动的向心力由什么力充当？细线拉力。

问3：橡皮塞做圆周运动的向心力大小可以用哪个力的大小来衡量？钩码重力大小。

问4：想提住更重的钩码，即让橡皮塞有更大的向心力，可以怎么办？绕大圈点，转快点，橡皮塞稍重点。

猜想：向心力大小可能与物体的质量m、轨道半径r、转动的快慢有关。

【半定量研究】  方法：控制变量法

a.保持r、ω一定时  F与m？

b.保持ω 、m一定时  F与r？

c.保持r、m一定时   F与ω？

向心力演示仪：

仪器介绍：如图7所示，手摇手柄，两塔轮、长槽和短槽跟随转动起来，左边倒立塔轮和短槽共轴，右边塔轮和长槽共轴。球放在槽中挡板处跟随槽做圆周运动，挡板对球的弹力提供球做圆周运动的向心力，反过来，球对挡板的压力使得套筒向下壓弹簧露出刻度，露出的刻度可反映球对挡板的压力，进而反映球做圆周运动的向心力大小。与图8对应的两塔轮各层的半径r与对应的角速度ω关系如表1所示。

思考：老师手上有三个大小相同的球（两个相同的钢球和一个铝球），质量比为2∶2∶1。长槽两挡板至轴距离为2r、r，短槽至轴距离为r。从前面的分析中，我们还知道两塔轮在不同层的角速度之比。大家想想：该如何探究向心力大小与物体质量m、轨道半径r、转动的快慢等三个因素之间的关系呢？

a.F与m？

用钢球和铝球做对照实验，让它们轨道半径r和ω相同（皮带放在第一层），结果如表2所示。

b.F与r？

用两个相同钢球做对照实验，让它们ω相同（皮带放在第一层）、轨道半径r不同，结果如表3所示。

c.F与ω？

用两个相同钢球做对照实验，让它们轨道半径r相同、角速度ω不同，结果如表4所示。

【定量研究】DIS向心力演示仪

a.仪器介绍：如图9所示，长槽一侧有一滑杆（可在不同位置固定金属块），另一侧有挡光杆（结合光电门可测挡光杆过光电门时的瞬时速度）。长槽可绕其中心轴转动，金属块跟随槽做圆周运动。问：金属块做圆周运动的向心力由什么力提供？滑杆对金属块的摩擦力;

b.测向心力大小：反过来，金属块对滑杆也有向外的摩擦力，通过转换头向下拉拉力传感器，拉力传感器的示数可以反映金属块做圆周运动向心力的大小;

c.测角速度：利用挡光杆过光电门的瞬时速度以及挡光杆至轴的距离，可得挡光杆绕中心轴转动的角速度，即为金属块绕中心轴转动的角速度;

d.测半径：金属块下面有标尺，从标尺可以读出金属块做圆周运动的轨道半径;

e.测质量：设备提供两个金属块，分别是24 g和12 g，不需要测量;

f.测量：得到几条图像，如图10所示。

【结论】r、m一定，F与ω2成正比;

m、ω一定，F与r成正比;

r、ω一定，F与m成正比;

即F=kmω2r

问：k是个常数，有量纲吗？

推导：mω2r=m（）2r=m

mω2r的量纲：kg·=kg·m/s2=N，与F的量纲一样，故k是个无量纲的常数，k=？两种角度确定k值：

a.测出F、m、r、ω，得出k值

b.从运动学角度证明匀速圆周运动物体的加速度就是ω2r，推导证明图11所示。 由图11可得k=1，则F=mω2r。

说明：质量为m的质点，在半径为r的圆周上做匀速圆周运动，线速度为v，角速度为ω，所需向心力的大小为F。

2  设计缘由和思考

本节课通常的教学模式有两种：①从运动学角度理论推导出匀速圆周运动的加速度的大小和方向，得出其加速度始终指向圆心（因此称为向心加速度），大小为ω2r，然后根据牛顿第二定律得出合外力也始终指向圆心（因此称为向心力），大小为mω2r，最后利用向心力演示器验证向心力与质量m、轨道半径r和角速度ω的关系。②从力学角度进行科学探究向心力的大小，得到向心力的大小，进而得到向心加速度。两种模式各有优缺点。按照模式①的教学方式，理论推导向心加速度的过程，学生不好理解，但一旦推导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的教学方式，从力的角度入手学生容易理解，因为学生容易感受到的是力而不是加速度，加速度太抽象了，但是存在比例系数k等不等于1的问题。笔者在教学设计时，考虑到本节课为科学探究课，因此采用模式②进行教学设计。如何处理模式②中比例系数k等不等于1的问题呢？笔者咨询组内的几位同仁，有教师说得出F=kmω2r后，如果m取1 kg，ω取1 rad/s，r取1 m，则对应F就是1 N，故k等于1，但是这样的解释很牵强，因为之前在得出牛顿第二定律时，从实验角度得出后，由此定义使1 kg物体产生1 m/s2的加速度对应的合外力大小即为1 N，故k等于1。但是在此，如果还是这么认为的话，不免让人认为又重新定义1 N，逻辑上有点说不通。还有同仁认为ω2r的量纲和加速度a的量纲一样，则类似于探究牛顿第二定律，同样可得出k等于1，但是在此存在一个问题：我们还不知道匀速圆周运动的加速度到底是ω2r还是kω2r，因此还是很难确定k等不等于1。最终笔者采用两种方案去确定k值：a.利用DIS向心力演示仪测出F、m、r、ω，得出k值;b.从运动学角度证明匀速圆周运动物体的加速度就ω2r是，则根据牛顿第二定律可得k等于1，即采用模式①和②相结合的方法。笔者的这种处理方式要用2个课时才能比较完美地完成该内容的教学，这样上课会从容点，课堂内容也会比较饱满，实验可以做的更充分，更具说服力。

本节课笔者采用问题串的形式层层深入引入向心力概念，以向心力的作用效果（改变速度方向）为切入点，让学生去感受向心力，分析两个实例中的向心力来源，学生易于接受理解。分析向心力的来源研究向心力时，有学生的随堂实验，也有教师的演示实验，从定性到半定量再到定量角度，层层递进研究探究向心力大小和质量、角速度、半径的定量关系，最后得出结论。研究过程中注重启发学生思考：怎么探究？怎么控制变量（具体怎么操作）？怎么测量向心力大小（首先要先確定向心力的来源，测量这个力就等于测量向心力大小）？能得出什么结论？怎么确定比例系数？上课过程中注重启发学生思考，形成物理观念;注重让学生养成仔细观察、善于发现、勤于思考的良好习惯，引领学生经历科学探究过程，体会科学探究方法，养成科学思维习惯，形成科学态度、科学世界观和正确的价值观。

3  结束语

物理教学设计是一门艺术，指导思想是新一轮课改提出的“核心素养”[ 1 ]。教学设计的根本目的是：引导学生如何去发现问题，进而引导学生如何去解决问题，学生在思考与实践中获得知识与能力[ 2 ]。授人以鱼，更要授人以渔，若干年后，学生也许忘记了大部分的知识，但是根深于脑海里的科学思维、方法和精神依然焕发着活力，伴随着学生的一生。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版） [S].北京：人民教育出版社， 2018.

[2] 林清源. 核心素养下的高中物理课堂教学[J].天津教育，2021（2）：72-73.