基于“主題牽引 問題驅(qū)動(dòng)”的“平拋運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

王寶成 周 航

（1.南京航空航天大學(xué)蘇州附屬中學(xué)，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

2017版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出，物理教學(xué)不能僅以知識(shí)為線索來開展，只重視學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲得，而忽略學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理過程中逐步形成的知識(shí)積淀、思維品質(zhì)、能力表現(xiàn)、科學(xué)思想以及科學(xué)的情感、態(tài)度和價(jià)值觀的綜合體現(xiàn)，因此，教師在物理教學(xué)中，探索新途徑，幫助學(xué)生培養(yǎng)科學(xué)思維，激發(fā)其對(duì)科學(xué)探究的興趣，成為了優(yōu)化物理教學(xué)和提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分.

平拋運(yùn)動(dòng)是一種典型的曲線運(yùn)動(dòng)，更是教學(xué)過程中的重難點(diǎn).本文以“平拋運(yùn)動(dòng)”主題為牽引，依托問題驅(qū)動(dòng)，探討“平拋運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)思路.

1 經(jīng)典電影視頻，創(chuàng)設(shè)實(shí)際情景

將經(jīng)典電影引入物理課堂，不僅可以引起學(xué)生的共鳴，更激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的欲望，進(jìn)而提升教學(xué)質(zhì)量，也更好地落實(shí)核心素養(yǎng)教學(xué)理念.

情景導(dǎo)入：如圖1所示，2015年《速度與激情7》上映，其中有一片段，范迪塞爾和保羅沃克駕駛著全球僅有的幾輛超級(jí)跑車，在阿布扎比的摩天大樓之間飛越，跑車留下了一道紅色的運(yùn)動(dòng)軌跡.

圖1 跑車飛躍摩天大樓

問題1：在現(xiàn)實(shí)中，跑車飛越大樓這種場景是否可以實(shí)現(xiàn)呢？需要具備哪些條件？

問題2：跑車的運(yùn)動(dòng)軌跡具有什么特點(diǎn)？是不是拋體運(yùn)動(dòng)？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過觀察電影視頻，可以感受到學(xué)習(xí)該運(yùn)動(dòng)的重要性，雖不能定量分析跑車的運(yùn)動(dòng)，但可知道跑車運(yùn)動(dòng)的軌跡為曲線.通過情景導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建平拋運(yùn)動(dòng)的物理模型，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.

2 依據(jù)實(shí)際情景，構(gòu)建物理模型

基于實(shí)際情景，提出問題.

問題3：跑車在運(yùn)動(dòng)過程中還受到了哪些力？

問題4：如何定義平拋運(yùn)動(dòng)？該運(yùn)動(dòng)具有什么特點(diǎn)？

引導(dǎo)學(xué)生以跑車為研究對(duì)象，忽略空氣阻力等因素，定義跑車的運(yùn)動(dòng)為平拋運(yùn)動(dòng)，將物體以一定的初速度拋出，如果物體只受重力作用，這種運(yùn)動(dòng)叫做拋體運(yùn)動(dòng).若初速度方向是水平的，則為平拋運(yùn)動(dòng).

設(shè)計(jì)意圖：通過生動(dòng)的原始問題，激發(fā)學(xué)生解決物理問題的熱情.在綜合分析物理問題時(shí)，忽略次要因素，提煉和構(gòu)建具體的物理模型，是一種重要的科學(xué)思維方式.

3 平拋運(yùn)動(dòng)知識(shí)的理論分析

問題5：跑車的運(yùn)動(dòng)是直線還是曲線？可以把它分解成哪兩個(gè)方向？

問題6：猜想跑車在水平和豎直方向分別做什么運(yùn)動(dòng)？為什么會(huì)做這樣的運(yùn)動(dòng)？

引導(dǎo)學(xué)生分析跑車的運(yùn)動(dòng)過程，并指導(dǎo)學(xué)生將運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分解，即分析物體在某個(gè)方向上發(fā)生了哪類具體的運(yùn)動(dòng).平拋運(yùn)動(dòng)具有水平的初速度，且只受豎直方向的重力作用.如將平拋運(yùn)動(dòng)分解成水平和豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，那么物體在水平方向上只有初速度，無力的作用，由牛頓第一定律可知，水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng).同理，物體在豎直方向上無初速度，只受重力的作用，根據(jù)牛頓第二定律得出mg=ma，豎直方向的加速度為重力加速度g，即物體做自由落體運(yùn)動(dòng).

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)探究能力是指發(fā)現(xiàn)問題，提出猜想與假設(shè)，基于原理給予解釋.在教學(xué)中采用“運(yùn)動(dòng)分解”的方法將復(fù)雜的平拋運(yùn)動(dòng)分解為兩個(gè)簡單的直線運(yùn)動(dòng).讓學(xué)生根據(jù)已知條件分析物體的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過交流討論，證實(shí)猜想，深化了學(xué)生的物理思維，發(fā)展了學(xué)生的物理觀念.

4 平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 探究平拋運(yùn)動(dòng)水平方向上的分運(yùn)動(dòng)性質(zhì)

裝置介紹：教師出示并介紹平拋運(yùn)動(dòng)演示儀（如圖2）：裝置中有小鋼球 A、B、C.通電后，它們被小磁鐵所吸引，D處為激光束遮擋位置.

圖2 平拋運(yùn)動(dòng)演示儀

演示實(shí)驗(yàn)：斷開開關(guān)，A、B兩小球同時(shí)從兩個(gè)軌道頂端的電磁鐵上釋放.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖3所示，小球A剛從缺口處水平拋出時(shí)，小球B恰好到達(dá)水平軌道處，并開始做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在某一時(shí)刻小球A正好擊中做勻速直線運(yùn)動(dòng)的小球B.

圖3 探究平拋運(yùn)動(dòng)水平方向分運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向上的分運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng).

4.2 探究平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向上的分運(yùn)動(dòng)性質(zhì)

問題7：觀察平拋運(yùn)動(dòng)演示儀，思考如何利用裝置檢驗(yàn)小球在豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)？

問題8：出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象能證明平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上為自由落體運(yùn)動(dòng)？

實(shí)驗(yàn)方案：讓小球A水平拋出的同時(shí)，小球C做自由落體運(yùn)動(dòng)，若兩球在空中恰好相碰，則驗(yàn)證了平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖4所示，某一時(shí)刻，小球A和C在豎直方向上位移基本相等，恰好在空中相碰.

圖4 探究平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向分運(yùn)動(dòng)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng).

4.3 平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的再驗(yàn)證

問題9：本實(shí)驗(yàn)過程較快，無法準(zhǔn)確觀測到小鋼球在某時(shí)刻的具體位置，如何清晰地觀察到運(yùn)動(dòng)過程的中間軌跡呢？

問題10：實(shí)驗(yàn)中，不同方向上的位移是否完全相等？由哪些因素造成？如何減小實(shí)驗(yàn)誤差？

實(shí)驗(yàn)方案：利用手機(jī)等設(shè)備的頻連拍功能拍攝多組照片，或凝時(shí)拍攝功能拍攝實(shí)驗(yàn)視頻，記錄觀察小球在平拋運(yùn)動(dòng)過程中不同時(shí)刻的具體位置.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：連續(xù)拍攝小球的多個(gè)位置，發(fā)現(xiàn)做平拋運(yùn)動(dòng)的小球A的位移和分別做水平勻速直線運(yùn)動(dòng)的小球B、豎直自由落體運(yùn)動(dòng)的小球C的位移是近似相等的.細(xì)心的同學(xué)看到小球的位置并不是完全重合的.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：手機(jī)等設(shè)備的頻連拍的時(shí)間間隔是相等的，觀察到水平和豎直方向位移基本相等，但不是完全相同，產(chǎn)生的誤差是由于微小阻力造成的.所以，平拋運(yùn)動(dòng)的水平方向和豎直方向分別為勻速直線運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng).

設(shè)計(jì)意圖：利用典型實(shí)驗(yàn)裝置、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等多維度驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不僅培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代科技進(jìn)行科學(xué)探究的能力，還激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新的科學(xué)思維.

5 總結(jié)物理規(guī)律，培養(yǎng)思維能力

通過上述系列實(shí)驗(yàn)，總結(jié)物理規(guī)律如表1.

表1

6 解決實(shí)際問題，升華知識(shí)認(rèn)知

實(shí)踐是驗(yàn)證知識(shí)掌握程度最好的標(biāo)準(zhǔn)，通過解決實(shí)際問題，能夠更好的增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解力和認(rèn)知力.

例題.如圖5所示，假設(shè)跑車從大廈頂層水平運(yùn)動(dòng)，大廈的高度分別是：305 m，260 m.且兩幢大廈之間的距離是100 m.（跑車最大時(shí)速為395 km／h）

圖5

（1）計(jì)算跑車至少需要多大的初速度才能恰好到達(dá)另一座大廈的頂層？

（2）跑車到達(dá)另一座大廈的速度和位置？

知識(shí)來源于生活，把物理課程中所學(xué)的知識(shí)和方法用于分析和解決實(shí)際問題.在探究問題的過程中，提高了學(xué)生分析問題和總結(jié)規(guī)律的能力，增強(qiáng)了科學(xué)實(shí)踐意識(shí)，幫助學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，并促進(jìn)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)的形成.