基于物理情境与物理模型的教学设计

张链娜

摘要：高中物理知识的抽象性和思维逻辑性非常强，在教学过程中，创设合适的物理情境，建立合理的物理模型，可以帮助学生更好地掌握物理知识，同时调动学生对物理学习的积极性。本文主要以《圆周运动》一课为例对物理情境与物理模型进行具体运用。

关键词：物理情境;物理模型;概念教学

《普通高中物理课程标准（2017版）》指出：“本课程标准，进一步精选了学科内容，重视以学科概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情景化，促进学科素养的落实”。可见新的课程标准也非常重视教学情景创设。创设物理情景，建立物理模型，优化概念教学是落实学科核心素养的重要手段之一。

1  教学思路

具体探讨了“圆周运动”的知识点，创设了以过山车、自行車为情景的模型，然后开展学生实验，分别探讨出线速度、角速度的概念，以及二者之间的关系，最终引导学生具体应用于实践中。

2  教学过程

任务1. 认识圆周运动

请大家观察一下，抽奖转盘指针上的各点，转动的电风扇叶片上的各点，荡秋千的小孩，摩天轮的缆车车厢，这些运动的轨迹都有什么特点？生：轨迹都是圆。

我们今天就要来研究这一类特殊的曲线运动，我们把运动轨迹是圆或者圆弧的运动定义为圆周运动。

任务2. 线速度

【创设物理情景】请大家观看一段过山车视频，过山车如图1所示，因其所处位置高，下来速度快让人觉得特别惊险。

【建立物理模型】实际的运动有点复杂，我们把它简化成如图2所示的模型，用纸带代替过山车，夹子所夹的位置表示车头A点，在圆盘上取一点表示车尾B点，过山车参与的主要运动过程就是圆周运动和直线运动。对于直线运动的快慢我们可以如何测量？

生：打点计时器，获得纸带，求速度。

如何来求B 点做圆周运动的速度呢？

师总结：当B点沿着圆周运动时，A点做的是直线运动。我们知道车头和车尾的运动快慢应该相同。这里我们可以通过求得直线运动的速度间接得到了圆周运动的速度。对于今后描述圆周运动的快慢有什么启示呢？

在相同时间里，A点下落的距离与B点沿圆周走过的弧长相等。我们可以用弧长/时间来描述圆周运动的运动快慢，为了加以区分，我们把它称之为线速度。它的单位也是m/s。

【学生实验】把钩码挂到夹子尾部，B点转到一侧，打开打点计时，然后放开圆盘，关闭打点计时器，取下纸带，测量计算。

请问一下这位同学，你是怎么测量计算的？你求得的速度是多大？

再问一两位同学，发现同学测量时所取点的个数有差异，即时间不同。当所取时间比较长时，求得的是平均速度;当时间取得很短时，求得的是瞬时速度。对于线速度，也有平均线速度和瞬时线速度之分。

那么匀速圆周运动的“匀速”是指速度不变吗？如果是速度，包括大小和方向。线速度有没有方向？某时刻B点的运动方向就是该点切线方向，我们在曲线运动中刚学过运动方向就是该点切线的方向，圆周运动作为一种特殊的曲线运动，同样遵循该规律。所以，线速度是（矢量）。物体做匀速圆周运动时，线速度的方向时刻改变，这里的“匀速”是指速率保持不变。

任务3. 角速度

【创设物理情境】刚通过一个圆盘的转动，学习了线速度的概念，我们来看看能不能很好地比较运动快慢了，比如对如图3所示的自行车的大、小齿轮来比较看看。为了简化问题，我们把该实物抽象成如图4所示的模型来演示看看。

【建立物理模型】在老师转动的过程中，请大家观察大轮边缘的A点和小轮边缘的B点的运动情况，线速度大小是否相同？生：相同。

它们的运动快慢是否完全一样了呢？

【演示实验】转动大轮半圈，或小轮一圈。

请学生来说说你观察到，在大轮、小轮转动过程中，有什么不同。

生：一个转半圈，一个转一圈，小轮转得快。

相同时间，通过的弧长是一样的，转得不一样快。线速度能描述转动的快慢吗？我们在描述圆周运动，只引入线速度够吗？不够。还要引入什么速度呢？这个速度怎么定义？谁来说说。我们可以用这个质点所在的半径扫过的角度与时间的比值来定义这个速度，给它取个名字，叫什么速度好呢？角速度。

任务4. 线速度与角速度的关系

我们会发现，在这个模型中，A、B两点的线速度大小相等时，半径越大，角速度越小。

这是线速度、角速度比较重要的一个关系，我们再来看看，线速度、角速度还有什么关系？

【创设物理情境】我们来看一个视频，大家思考，视频里面每个士兵的运动有什么相同，有什么不同。下面我们请几位同学模拟一下，像我这样面对大家，以这位同学作为轴线，转过90°，预备开始。现在大家分析分析，这四位同学刚才转队列的过程，线速度、角速度怎么样？我们会发现在这个过程中，角速度不变，半径越大，线速度越大。

任务5. 应用

【创设物理情境】老师这里有一台电钻，根据我们所学的内容，大家能一起想办法来测一下这个电钻转动时的角速度吗？

从定义出发好不好求？角度不好测，不好求。我们可以通过测线速度和半径来求角速度。

【演示实验】电动机连接纸带，连接并打开打点计时器，打开电动机电源，然后都断开，获得纸带，分给各组测量。这里我们就算一个大概的数值，半径就直接用我所绕轴心的半径5cm。

学生通过计算，得到角速度大概是几十rad/s，我们知道转一圈是2rad，电钻在1s内转了几圈？这边老师在操作中已经调慢了速度，现实操作中可以转得更快。所以，我们生活中对于这类在单位时间内可以转很多圈的运动，又定义了一个物理量，转速，即单位时间内转过的圈数，单位。对于做匀速圆周运动的物体，我们也可以用转一圈所用的时间来描述它的转动快慢，用周期“T”表示，单位s。

参考文献：

【1】徐清.物理情境和物理模型在物理教学中的应用分析[J].名师在线.2017.（01）.54-55.

【2】刘建浩.基于情境认知与学习理论的教学设计[J].物理教师2019.40（7）.31-32.