基于核心素養(yǎng)的高中物理概念教學(xué)設(shè)計(jì)

王偉全 費(fèi)金有

摘要：物理概念是高中物理教學(xué)的核心內(nèi)容之一，文章以“摩擦力”一課為例，設(shè)計(jì)了基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)方案，并探討了如何發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng) ?高中物理 ?摩擦力

一、內(nèi)容分析

摩擦力是高中力學(xué)三類常見(jiàn)的力之一，是受力分析的基礎(chǔ)，為后面牛頓運(yùn)動(dòng)定理、動(dòng)能定理的學(xué)習(xí)打下知識(shí)基礎(chǔ)，所以本節(jié)課在整個(gè)高中物理學(xué)習(xí)中具有重要的地位和作用。

二、教學(xué)目標(biāo)

第一，認(rèn)識(shí)摩擦力。學(xué)生應(yīng)知道滑動(dòng)摩擦力和靜摩擦力現(xiàn)象，能用動(dòng)摩擦因數(shù)計(jì)算滑動(dòng)摩擦力的大小。

第二，體會(huì)控制變量法的物理思維。學(xué)生應(yīng)學(xué)會(huì)利用二力平衡的方法求解靜摩擦力的方向和大小。

第三，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

第四，調(diào)查生活中利用或避免摩擦力的實(shí)例，讓學(xué)生形成“物理來(lái)源于生活，應(yīng)用于生活”的意識(shí)。

三、教學(xué)方法

第一，通過(guò)靜摩擦力的產(chǎn)生條件和方向，類比得出滑動(dòng)摩擦力的產(chǎn)生條件和方向。

第二，運(yùn)用創(chuàng)設(shè)情境——提出問(wèn)題——自主探究——交流討論——?dú)w納總結(jié)的流程進(jìn)行教學(xué)。

四、教學(xué)過(guò)程

（一）靜摩擦力

教師演示實(shí)驗(yàn)：用彈簧測(cè)力計(jì)沿水平方向拉木塊，手拿瓶子，并提出問(wèn)題：“靜摩擦力產(chǎn)生的條件是什么？”

經(jīng)過(guò)啟發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生討論，學(xué)生能得出結(jié)論，摩擦力的產(chǎn)生有兩個(gè)條件：兩個(gè)物體相互接觸且有彈力，兩個(gè)物體之間有相互運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

（二）滑動(dòng)摩擦力

比較靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力，得出滑動(dòng)摩擦力的產(chǎn)生條件與方向。

教師提出問(wèn)題：“滑動(dòng)摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)？”同時(shí)介紹演示實(shí)驗(yàn)——將木塊放在傳送帶上并與彈簧秤相連，打開(kāi)電源時(shí)，傳送帶勻速運(yùn)動(dòng)，而木塊保持靜止。

在學(xué)生以小組為單位完成實(shí)驗(yàn)后，教師可引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力大小和接觸面之間的正壓力成正比，與物體之間的接觸材料和接觸面的粗糙程度有關(guān)。

（三）靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系

教師提出問(wèn)題：“在相同的條件下，最大靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力誰(shuí)更大呢？”然后提供兩種實(shí)驗(yàn)方案：方案一，用記憶彈簧秤比對(duì);方案二，用動(dòng)態(tài)力傳感器顯示。

教師演示實(shí)驗(yàn)，用小電機(jī)拉木塊，木塊從靜止?fàn)顟B(tài)到勻速運(yùn)動(dòng)。通過(guò)兩個(gè)方案的探究得到了同樣的結(jié)論——滑動(dòng)摩擦力比最大靜摩擦力稍小。

（四）聯(lián)系生活與實(shí)際

教師提出問(wèn)題：“生活有哪些摩擦力，如果摩擦力消失了，世界將會(huì)變成什么樣？”

在學(xué)生回答后，教師指導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，建立起摩擦力與生活的聯(lián)系。

教師再次提問(wèn)：“摩擦力是有益的還是有害的？”同時(shí)列舉有益摩擦力和有害摩擦力。

五、教學(xué)評(píng)價(jià)

在“摩擦力”一課的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師圍繞教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)了教學(xué)過(guò)程和教學(xué)活動(dòng)，滲透了核心素養(yǎng)的基本理念。貫穿整節(jié)課的探究實(shí)驗(yàn)和隨堂實(shí)驗(yàn)不僅創(chuàng)設(shè)了學(xué)習(xí)情境，還加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)，提高了學(xué)生科學(xué)探究的能力，全方位培養(yǎng)了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

六、課堂實(shí)錄

教師說(shuō)道：“上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了彈力，知道彈力是因?yàn)橄嗷ソ佑|的物體，因?yàn)閿D壓發(fā)生形變，在接觸面上產(chǎn)生的恢復(fù)形變的一種力，請(qǐng)同學(xué)們伸出手掌，按在桌面上下壓，你們能感受到桌面對(duì)手掌的彈力嗎？”

學(xué)生齊聲回答：“能。”

教師繼續(xù)說(shuō)：“好的，接著完成下一個(gè)動(dòng)作，保持壓力不變，沿著桌面推手掌，有沒(méi)有感到一種阻礙手掌啟動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的力？這個(gè)力時(shí)時(shí)相伴我們，卻容易被我們忽視，這就是摩擦力。”

教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生：“在剛才的實(shí)驗(yàn)中，阻礙手掌啟動(dòng)的力產(chǎn)生在兩個(gè)相對(duì)靜止，但是有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的物體之間，它叫靜摩擦力;當(dāng)手掌啟動(dòng)以后，阻礙手掌運(yùn)動(dòng)的力發(fā)生在兩個(gè)相互接觸，又有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體之間，我們把這個(gè)力叫滑動(dòng)摩擦力。今天，我們就一起來(lái)認(rèn)識(shí)它們。”

此時(shí)，學(xué)生都躍躍欲試，異常興奮。教師說(shuō)道：“我們先來(lái)看靜摩擦力，和前面學(xué)習(xí)彈力一樣，要想認(rèn)識(shí)一個(gè)力，就要從它的產(chǎn)生條件、大小和方向說(shuō)起。我們把木塊放在水平長(zhǎng)木板上，用彈簧測(cè)力計(jì)沿水平方向拉木塊。同學(xué)們請(qǐng)看，彈簧測(cè)力計(jì)有了讀數(shù)，而木塊依然靜止。現(xiàn)在，我輕輕拿起一個(gè)瓶子，靜止在半空不動(dòng)，這兩個(gè)我們生活中常見(jiàn)的景象中，能探尋到有關(guān)靜摩擦力的哪些信息呢？回顧剛才的實(shí)驗(yàn)，彈簧測(cè)力計(jì)給木塊施加了哪個(gè)方向的拉力？木塊想往哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？”

學(xué)生1回答：“向左。”

教師追問(wèn)：“那么為什么木塊沒(méi)有運(yùn)動(dòng)呢？”

學(xué)生2回答：“因?yàn)榕c木板的摩擦力。”

教師繼續(xù)說(shuō)：“請(qǐng)同學(xué)們?cè)倏矗?dāng)我撤去拉力時(shí)，摩擦力還存在嗎？”

學(xué)生齊答：“不存在。”

教師說(shuō)：“從剛才的現(xiàn)象中，我們不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加向左的拉力時(shí)，木塊想往左運(yùn)動(dòng)，這時(shí)摩擦力出現(xiàn)了;當(dāng)撤去拉力，木塊待在原地不動(dòng)時(shí)，摩擦力消失了。我們是不是可以得到一個(gè)結(jié)論？”

學(xué)生齊答：“摩擦力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)有關(guān)。”

教師繼續(xù)說(shuō)：“同學(xué)們?cè)倏矗?dāng)我拿起瓶子，在重力的作用下，為什么瓶子沒(méi)有下落呢？”

學(xué)生3回答：“因?yàn)槭峙c瓶子之間存在摩擦力。”

教師問(wèn)：“摩擦力是什么方向？”

學(xué)生3回答：“是向上的。”

教師再問(wèn)：“如果我把手松開(kāi)一點(diǎn)，松到手和瓶子之間的彈力等于0時(shí)，瓶子掉下去了，那么從這個(gè)現(xiàn)象中，我們又能得到什么結(jié)論？”

學(xué)生3回答：“摩擦力可能與彈力有關(guān)。”

教師繼續(xù)引導(dǎo)：“剛才同學(xué)們說(shuō)出了摩擦力產(chǎn)生的兩個(gè)條件，兩個(gè)物體相互接觸且有彈力，便有了相互運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，那么是不是只有這兩個(gè)條件就可以了呢？”

此時(shí)，教師請(qǐng)男女生各一名上來(lái)做游戲，用兩雙不同的筷子將相同重量的砝碼夾到砝碼盤(pán)中，看誰(shuí)夾得快。

比賽結(jié)束后，教師說(shuō)道：“一般來(lái)說(shuō)，男同學(xué)的力氣要比女同學(xué)大，怎么男同學(xué)夾了半天也夾不進(jìn)去呢？你們仔細(xì)觀察筷子就會(huì)發(fā)現(xiàn)，男同學(xué)是光滑的塑料筷，女同學(xué)是粗糙的竹筷。這樣看來(lái)，靜摩擦力產(chǎn)生的第三個(gè)條件就是接觸面間必須粗糙。”

教師說(shuō)：“我們?cè)倏挫o摩擦力的大小和方向，回到剛才的木塊實(shí)驗(yàn)，木塊受到木板對(duì)他的靜摩擦力是什么方向呢？”

學(xué)生答：“向右，因?yàn)槿绻Σ亮Ψ较蚝屠Ψ较蛞恢碌脑挘緣K肯定運(yùn)動(dòng)起來(lái)了，但是木塊是靜止的，所以靜摩擦力肯定在阻礙拉力作用。可見(jiàn)，拉力和靜摩擦力是一對(duì)平衡力。”

教師問(wèn)：“沒(méi)錯(cuò)，木塊受到向左的拉力，它靜止不動(dòng)，而它受到的靜摩擦力必定向右。所以靜摩擦力和物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相反。”

教師繼續(xù)引導(dǎo)：“我們回到剛才的實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)注意彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)。當(dāng)木塊靜止不動(dòng)時(shí)，拉力和靜摩擦力總是保持二力平衡，拉力增大，靜摩擦力也增大，那么它能不能無(wú)限制地繼續(xù)增大呢？”

教師接著說(shuō)：“繼續(xù)增大拉力，木塊終于移動(dòng)了。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明靜摩擦力不能一直增大，有個(gè)最大值，這就是最大靜摩擦力。所以靜摩擦力的大小在0與最大靜摩擦力之間。”

教師說(shuō)：“如果物體和地面之間發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，又是怎樣的一番情景呢？這就是我們要進(jìn)入的第二個(gè)話題——滑動(dòng)摩擦力。”

教師說(shuō)：“回到剛才的實(shí)驗(yàn)，我們?cè)龃罄Γ緣K不動(dòng)，受到的還是靜摩擦力，繼續(xù)增大拉力，木塊運(yùn)動(dòng)起來(lái)了，這時(shí)的彈簧測(cè)力計(jì)仍然有示數(shù)，這說(shuō)明木塊運(yùn)動(dòng)的過(guò)程依然受到木板的摩擦力，這個(gè)摩擦力就是滑動(dòng)摩擦力。”

教師問(wèn)：“滑動(dòng)摩擦力，我們?cè)诔踔幸呀?jīng)有了接觸，請(qǐng)同學(xué)們回憶一下并互相討論下，滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生的條件是什么，它的方向有什么特點(diǎn)？”

學(xué)生回答：“滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生條件是兩物體接觸且有彈力，兩物體間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接觸面粗糙;滑動(dòng)摩擦力的方向與物體的運(yùn)動(dòng)方向相反。”

教師肯定道：“很好，同學(xué)們有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生條件和靜摩擦力產(chǎn)生條件有些類似，它們的不同之處在哪里呢？”

教師說(shuō)：“到了高中我們要進(jìn)一步定量的描述滑動(dòng)摩擦力和接觸面之間的壓力到底有什么關(guān)系？現(xiàn)在請(qǐng)同學(xué)們用微型電機(jī)傳送帶來(lái)探究一下。”

此時(shí)，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。

教師問(wèn)道：“同學(xué)們，觀察記錄的數(shù)據(jù)表格，你們有什么發(fā)現(xiàn)？”

學(xué)生回答：“物體所受的滑動(dòng)摩擦力和壓力成正比，比例系數(shù)接近一個(gè)定值。”

教師解釋：“在誤差允許的范圍內(nèi)，我們可以認(rèn)為比例系數(shù)是一個(gè)定值，我們把它稱為動(dòng)摩擦因數(shù)。滑動(dòng)摩擦力大小和接觸面之間的正壓力成正比，比例常數(shù)我們稱為動(dòng)摩擦因數(shù)，與物體之間的接觸材料和接觸面的粗糙程度有關(guān)。”

教師問(wèn)道：“學(xué)完了滑動(dòng)摩擦力，請(qǐng)同學(xué)們思考這樣一個(gè)問(wèn)題，在相同的條件下，最大靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力誰(shuí)大呢？我們用記憶彈簧秤比對(duì)，當(dāng)拉力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)木塊開(kāi)始滑動(dòng)，此時(shí)拉力會(huì)突然變小。滑動(dòng)以后的示數(shù)有沒(méi)有最大靜摩擦力大？”

學(xué)生回答：“沒(méi)有。”

教師繼續(xù)說(shuō)：“接下來(lái)，大家看大屏幕，這可以看出最大靜摩擦力比滑動(dòng)摩擦力要大。”

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，我們得到了同樣的結(jié)論，那就是滑動(dòng)摩擦力比最大靜摩擦力稍小。

教師引導(dǎo)學(xué)生：“我們身邊存在大大小小、形形色色的摩擦力，只要注意觀察便能找出許多，你能舉出幾個(gè)例子嗎？再構(gòu)想一下，如果這個(gè)世界沒(méi)有摩擦力，將是怎樣的一番情景？”

學(xué)生1回答：“溜冰、拖動(dòng)桌子的時(shí)候都能感受到摩擦力，汽車輪胎與地面也有摩擦力，如果沒(méi)有摩擦力，每天都會(huì)有車禍發(fā)生。”

學(xué)生2回答：“人走路的時(shí)候也有摩擦力，打籃球的時(shí)候，如果沒(méi)有摩擦力，手就抓不住籃球了。”

教師繼續(xù)說(shuō)：“可以說(shuō)，摩擦力在生活中處處存在。”接著，教師可展示劉翔跨欄和F1賽車的視頻，分析劉翔起跑后的后蹬腳和賽車啟動(dòng)后驅(qū)動(dòng)輪所受摩擦力的情況。”

教師總結(jié)：“摩擦力有時(shí)是有益，有時(shí)是有害的。所以在生活中，我們要學(xué)會(huì)利用摩擦力解決問(wèn)題。”

參考文獻(xiàn)：

[1]廖伯琴.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）要點(diǎn)解讀[J].物理教學(xué)，2020（2）.

（作者單位：吉林師范大學(xué)）