开发教材资源 培育关键能力——以“抛体运动的规律”教学为例

周 慧

(南京航空航天大学苏州附属中学,江苏 苏州 215000)

物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面组成了物理学科核心素养,其中科学思维和科学探究是关键能力,是物理教育过程中的核心素养培养的重点所在.人民教育出版社2019版的普通高中教科书很好地体现了普通高中物理课程标准的要求,为培养学生的关键能力提供了很好的素材与资源.现以普通高中物理教科书物理必修第二册第5章第4节《抛体运动的规律》的教学为例,谈谈如何开发教材的资源,培育关键能力.

1 教材分析

平抛运动是一种常见的运动形式,解决平抛运动的基本思路与方法是解决一般抛体运动问题的基础.同时,本节的学习内容也是学习带电粒子在电场中偏转的基础.本章的学习对于学生应用运动的合成与分解的方法解决实际问题,形成化曲为直、化繁为简的思想,具有重要的示范作用[1].

2 学情分析

学生在本章的第2节《运动的合成与分解》学习中,通过对“注水的玻璃管中的蜡块参与的两个匀速直线运动的合成”的探究,初步了解以下的研究思路:

这为本节研究平抛运动提供了方法指导,从这个意义上,本节教学内容是运动的合成与分解的具体应用和进一步深化.

本节的内容涉及到牛顿运动定律、匀变速直线运动等物理规律的应用和运动分析、受力分析以及运动的分解与合成的物理思想,具有一定的综合性,对学生的思维能力以及应用数学知识解决物理问题的能力有较高的要求.

3 素养目标

3.1 初级思维目标

(1)知道平抛运动物理模型成立的条件,会对平抛运动进行理论分析.

(2)会利用速度的合成与分解以及匀变速直线运动的规律计算平抛运动的速度[2].

(3)能利用运动的合成与分解以及匀变速直线运动的规律推导出平抛运动的轨迹.

3.2 进阶思维目标

(1)知道抛体运动物理模型成立的条件,对抛体运动进行理论分析.

(2)会计算斜抛运动的速度.

(3)会推导斜抛运动轨迹.

(4)会解决斜抛运动的极值问题.

4 教学过程

4.1 基于教材——培养学生思维的严密性

本节课的教学中基本的教学任务是基于教材,形成解决平抛运动问题的基本思路,掌握规范的解题步骤[3].

4.1.1确定平抛运动的性质

利用问题串,引导学生确定平抛运动的性质:

问题1:做平抛运动的物体,受哪些力的作用?其初速度的方向如何?

问题2:怎样求平抛运动物体的加速度的大小和方向?

问题3:根据你所求出的结果说明平抛运动的运动性质是什么.

让学生自己主动思考,利用所学的牛顿运动定律,从理论上主动探究,得出结论,学生才会获得长久的记忆.体现了理论探究与实验探究的一致性.

4.1.2研究平抛运动的速度

引导学生利用第2节所学的方法,研究平抛运动的速度.

问题1:平抛运动的物体的速度不断改变,利用什么方法来求平抛运动的速度?

问题2:如果平抛运动的初速度为v0,重力加速度为g,写出平抛运动物体t时刻速度的大小的表达式.

问题3:怎样定量描述平抛运动速度方向的变化?

学生通过自己的亲身实践,利用所学的知识,按照一定的程序,解决实际物理问题,既巩固了所学的知识,又解决了新问题,获得成功感,体验幸福感.

4.1.3推导平抛运动的轨迹

通过第2节的学习,学生基本上掌握了探究物体运动轨迹的思路:写出两个分运动的位移-时间关系,消去时间t,得到轨迹方程.可以迁移到探究平抛运动轨迹的思维活动中.

问题1:如果以初速度方向为x轴的正方向,以竖直向下为y轴正方向,经过时间t,做平抛运动的物体的水平位移和竖直位移分别是多少?

问题2:根据问题1的结论,你能推导出平抛运动的轨迹方程吗?

问题3:根据问题1的结论,写出做平抛运动的物体在t时间内的位移的大小和方向吗?

问题4:若t时刻物体的速度与水平方向的夹角为α,位移与水平方向的夹角为β,你能发现两者之间的简单关系吗?

通过层层递进的问题,引导学生从理论上推导出做平抛运动的轨迹是开口向下的半支抛物线,而且自主发现tanα=2tanβ的有用结论.规范的思维过程,对于初学者而言,有助于培养其思维的严密性,以及解决物理问题的程序性[4].

4.2 源于教材——培养学生思维的深刻性

在学生已经掌握推导平抛运动的轨迹的基础上,让学生迁移所学的方法,来推导斜抛运动的轨迹,并求出斜抛运动的射高以及水平射程,对于大多数学生来说,既是前面方法的迁移,又是完善知识结构的很好的途径.

如图1所示,物体在水平地面上被抛出时初速度方向斜向上与水平方向成θ角,回答下列问题:

图1 物体在水平面上抛出

(1)物体水平方向的初速度多大,加速度多大,在水平方向做什么运动?

(2)物体竖直方向的初速度是多大,加速度多大,在竖直方向做什么运动?

(3)经过时间t,物体的速度是多少?速度方向与水平方向夹角的正切值多大?

(4)该物体运动的轨迹方程是什么?

(5)物体运动的轨迹具有什么样的特点?

(6)你能求出物体上升的最大高度吗?

(7)物体落地时的位置离开抛出点多远?落地时的速度如何?

(8)如果θ角在0到90°之间变化,θ角多大时,落地点与抛出点之间的距离最大,这个最大值是多少?(已知2sinθcosθ=sin2θ)

通过思考与讨论,学生不仅理解了教材中图5.4-5斜抛运动的轨迹,更重要的是从理论上探究出轨迹的特点,体会到解决复杂问题后成功的喜悦.

4.3 高于教材——培养学生思维的发散性

理论研究必须与实际生产、生活、科学研究想结合,应该在解决实际问题的过程中,培养学生的建模能力、科学思维能力以及应用数学知识解决物理问题的能力.在课后的思考题中可以布置这样的思考题,进一步体会应用运动的合成与分解的方法解决抛体运动的问题.

如图2所示,在倾角为α的斜坡的底端发射一颗一颗炮弹,炮弹的初速度大小为v0,方向与水平方向的夹角为θ,不计空气阻力,重力加速度为g,试求:

图2 物体在斜面底端抛出

(1)炮弹在斜坡上的落点的位置.

(2)若θ是可以变化的,炮弹落到斜坡上距离最远时的θ值.

学生通过建立不同的坐标系,以及不同的数学推导过程,得出相同的结论的过程,体现了物理思维的发散性与收敛性.

对于不同的学情,可以讨论到不同的难度水平,或者让学生课后查阅资料,这既能激发学生学习物理的热情,使对物理感兴趣的学生进行具有一定挑战性的学习,体现了因材施教和分层教学的原则,也有助于培养学生思维的深刻性,引发深度学习.

物理思维能力的培养,物理探究习惯的养成,探究能力的形成,不是一朝一夕能完成的.实践表明,只有教师自身站在培养学生物理核心素养的高度,在教学中,充分发挥教材的教育功能,精心选择适合所教学生的认知水平的教学内容,通过行之有效的教学活动,引发学生的思维,在学生的最近发展区发力,日积月累,学生的关键能力才会得到提升.