摘? ?要：高中物理核心素養(yǎng)由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任四個(gè)方面構(gòu)成。如何在高中物理課堂教學(xué)中落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)？以“科學(xué)探究：向心力”為例，著重解決核心素養(yǎng)下如何進(jìn)行向心力的教學(xué)設(shè)計(jì)和為什么這樣設(shè)計(jì)兩大方面。第一大方面著重解決設(shè)計(jì)思路：以什么方式建立向心力這個(gè)基本概念，以什么為切入點(diǎn)分析向心力的來源，向心力有哪些影響因素，如何科學(xué)探究向心力大小與這些因素的關(guān)系，如何測(cè)量向心力，能得出什么結(jié)論。第二大方面著重解決設(shè)計(jì)理由：為什么這么設(shè)計(jì)，向心加速度和向心力兩個(gè)概念應(yīng)先講哪個(gè)概念合適。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);課堂教學(xué);向心力;向心加速度

1? 教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1? 問題串設(shè)計(jì)

①物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用哪個(gè)物理量描述？速度v。

怎樣才算運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變？速度是矢量，大小和方向中，只要有一個(gè)改變了，就說運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化。

②勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否改變？

改變了，速度大小雖然不變，但是速度方向（沿著軌跡的切線方向）時(shí)刻發(fā)生改變。

③勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有改變，其合外力能為0嗎？

合外力一定不為零。狀態(tài)的維持不需要力，狀態(tài)的改變需要力的作用。

④勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體，速度大小不變，方向變了，說明其合力的方向有什么特點(diǎn)？

【隨堂實(shí)驗(yàn)】：感受勻速圓周運(yùn)動(dòng)的受力特征

如圖1，細(xì)線拽著小球在水平桌面上做圓周運(yùn)動(dòng)，然后松手。

注意事項(xiàng)：①細(xì)線不能太短，也不要太長(zhǎng)，大概是在桌面空間能夠完成的這么個(gè)長(zhǎng)度;②細(xì)線盡量與桌面平行。

生邊做實(shí)驗(yàn)邊思考：什么力讓小球的速度方向改變？依據(jù)？

生：細(xì)線拉力F（指向圓心）讓小球速度方向改變（理由：松手后，球就偏離圓軌道飛出去）

說明：勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體，始終受到指向圓心的合外力作用（結(jié)合理論解釋），即如圖2所示。

⑤勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體，其合外力始終指向圓心，如果給這么特殊的力命名下，該怎么命名呢？ 向心力（非常準(zhǔn)確到位?。?/p>

1.2? 向心力

① 定義：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受到的、始終指向圓心的合外力，叫向心力。

②作用效果：只改變v的方向，不改變v的大小。

問：向心力是否為一種新的性質(zhì)的力？

思考：前面的隨堂實(shí)驗(yàn)中，什么力充當(dāng)小球的向心力？

生：如圖3所示，細(xì)線拉力F讓小球速度方向改變，即細(xì)線拉力（或合力）充當(dāng)向心力。

【演示實(shí)驗(yàn)】圓錐擺

思考：小球受到哪些力的作用？什么力改變小球的運(yùn)動(dòng)方向？

結(jié)論：如圖4所示，拉力F和重力G的合力（或如圖5所示，拉力F的分力F1）充當(dāng)向心力。

③來源：向心力不是某種特殊性質(zhì)的力，它可能由某個(gè)力，或者某個(gè)力的分力，或者某幾個(gè)力的合力來充當(dāng)。

特別提醒：受力分析時(shí)， 不要把向心力當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的力。

④向心力大小

【定性研究】影響向心力大小的因素（演示實(shí)驗(yàn)）

演示實(shí)驗(yàn)：如圖6所示，取一根空心管（圓珠筆筆筒），一根細(xì)線穿過空心管，細(xì)線的一端系一個(gè)輕橡皮塞，另一端系一個(gè)重鉤碼，掄動(dòng)空心管讓橡皮塞做圓周運(yùn)動(dòng)，提住重鉤碼。不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)得慢，橡皮塞被往管口方向拽過去，無法提住鉤碼。

問1：想讓橡皮塞做圓周運(yùn)動(dòng)提住重鉤碼，怎么辦？繞大圈點(diǎn)，轉(zhuǎn)快點(diǎn)。

教師演示，學(xué)生驚呼！

問2：忽略橡皮塞的重力，橡皮塞做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由什么力充當(dāng)？細(xì)線拉力。

問3：橡皮塞做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力大小可以用哪個(gè)力的大小來衡量？鉤碼重力大小。

問4：想提住更重的鉤碼，即讓橡皮塞有更大的向心力，可以怎么辦？繞大圈點(diǎn)，轉(zhuǎn)快點(diǎn)，橡皮塞稍重點(diǎn)。

猜想：向心力大小可能與物體的質(zhì)量m、軌道半徑r、轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢有關(guān)。

【半定量研究】? 方法：控制變量法

a.保持r、ω一定時(shí)? F與m？

b.保持ω 、m一定時(shí)? F與r？

c.保持r、m一定時(shí)? ?F與ω？

向心力演示儀：

儀器介紹：如圖7所示，手搖手柄，兩塔輪、長(zhǎng)槽和短槽跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)起來，左邊倒立塔輪和短槽共軸，右邊塔輪和長(zhǎng)槽共軸。球放在槽中擋板處跟隨槽做圓周運(yùn)動(dòng)，擋板對(duì)球的彈力提供球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，反過來，球?qū)醢宓膲毫κ沟锰淄蚕蛳聣簭椈陕冻隹潭?，露出的刻度可反映球?qū)醢宓膲毫?，進(jìn)而反映球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力大小。與圖8對(duì)應(yīng)的兩塔輪各層的半徑r與對(duì)應(yīng)的角速度ω關(guān)系如表1所示。

思考：老師手上有三個(gè)大小相同的球（兩個(gè)相同的鋼球和一個(gè)鋁球），質(zhì)量比為2∶2∶1。長(zhǎng)槽兩擋板至軸距離為2r、r，短槽至軸距離為r。從前面的分析中，我們還知道兩塔輪在不同層的角速度之比。大家想想：該如何探究向心力大小與物體質(zhì)量m、軌道半徑r、轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢等三個(gè)因素之間的關(guān)系呢？

a.F與m？

用鋼球和鋁球做對(duì)照實(shí)驗(yàn)，讓它們軌道半徑r和ω相同（皮帶放在第一層），結(jié)果如表2所示。

b.F與r？

用兩個(gè)相同鋼球做對(duì)照實(shí)驗(yàn)，讓它們?chǔ)叵嗤ㄆХ旁诘谝粚樱?、軌道半徑r不同，結(jié)果如表3所示。

c.F與ω？

用兩個(gè)相同鋼球做對(duì)照實(shí)驗(yàn)，讓它們軌道半徑r相同、角速度ω不同，結(jié)果如表4所示。

【定量研究】DIS向心力演示儀

a.儀器介紹：如圖9所示，長(zhǎng)槽一側(cè)有一滑桿（可在不同位置固定金屬塊），另一側(cè)有擋光桿（結(jié)合光電門可測(cè)擋光桿過光電門時(shí)的瞬時(shí)速度）。長(zhǎng)槽可繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬塊跟隨槽做圓周運(yùn)動(dòng)。問：金屬塊做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由什么力提供？滑桿對(duì)金屬塊的摩擦力;

b.測(cè)向心力大?。悍催^來，金屬塊對(duì)滑桿也有向外的摩擦力，通過轉(zhuǎn)換頭向下拉拉力傳感器，拉力傳感器的示數(shù)可以反映金屬塊做圓周運(yùn)動(dòng)向心力的大小;

c.測(cè)角速度：利用擋光桿過光電門的瞬時(shí)速度以及擋光桿至軸的距離，可得擋光桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，即為金屬塊繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度;

d.測(cè)半徑：金屬塊下面有標(biāo)尺，從標(biāo)尺可以讀出金屬塊做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑;

e.測(cè)質(zhì)量：設(shè)備提供兩個(gè)金屬塊，分別是24 g和12 g，不需要測(cè)量;

f.測(cè)量：得到幾條圖像，如圖10所示。

【結(jié)論】r、m一定，F(xiàn)與ω2成正比;

m、ω一定，F(xiàn)與r成正比;

r、ω一定，F(xiàn)與m成正比;

即F=kmω2r

問：k是個(gè)常數(shù)，有量綱嗎？

推導(dǎo)：mω2r=m（）2r=m

mω2r的量綱：kg·=kg·m/s2=N，與F的量綱一樣，故k是個(gè)無量綱的常數(shù)，k=？?jī)煞N角度確定k值：

a.測(cè)出F、m、r、ω，得出k值

b.從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度證明勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體的加速度就是ω2r，推導(dǎo)證明圖11所示。 由圖11可得k=1，則F=mω2r。

說明：質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)，在半徑為r的圓周上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，線速度為v，角速度為ω，所需向心力的大小為F。

2? 設(shè)計(jì)緣由和思考

本節(jié)課通常的教學(xué)模式有兩種：①?gòu)倪\(yùn)動(dòng)學(xué)角度理論推導(dǎo)出勻速圓周運(yùn)動(dòng)的加速度的大小和方向，得出其加速度始終指向圓心（因此稱為向心加速度），大小為ω2r，然后根據(jù)牛頓第二定律得出合外力也始終指向圓心（因此稱為向心力），大小為mω2r，最后利用向心力演示器驗(yàn)證向心力與質(zhì)量m、軌道半徑r和角速度ω的關(guān)系。②從力學(xué)角度進(jìn)行科學(xué)探究向心力的大小，得到向心力的大小，進(jìn)而得到向心加速度。兩種模式各有優(yōu)缺點(diǎn)。按照模式①的教學(xué)方式，理論推導(dǎo)向心加速度的過程，學(xué)生不好理解，但一旦推導(dǎo)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的教學(xué)方式，從力的角度入手學(xué)生容易理解，因?yàn)閷W(xué)生容易感受到的是力而不是加速度，加速度太抽象了，但是存在比例系數(shù)k等不等于1的問題。筆者在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到本節(jié)課為科學(xué)探究課，因此采用模式②進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。如何處理模式②中比例系數(shù)k等不等于1的問題呢？筆者咨詢組內(nèi)的幾位同仁，有教師說得出F=kmω2r后，如果m取1 kg，ω取1 rad/s，r取1 m，則對(duì)應(yīng)F就是1 N，故k等于1，但是這樣的解釋很牽強(qiáng)，因?yàn)橹霸诘贸雠ｎD第二定律時(shí)，從實(shí)驗(yàn)角度得出后，由此定義使1 kg物體產(chǎn)生1 m/s2的加速度對(duì)應(yīng)的合外力大小即為1 N，故k等于1。但是在此，如果還是這么認(rèn)為的話，不免讓人認(rèn)為又重新定義1 N，邏輯上有點(diǎn)說不通。還有同仁認(rèn)為ω2r的量綱和加速度a的量綱一樣，則類似于探究牛頓第二定律，同樣可得出k等于1，但是在此存在一個(gè)問題：我們還不知道勻速圓周運(yùn)動(dòng)的加速度到底是ω2r還是kω2r，因此還是很難確定k等不等于1。最終筆者采用兩種方案去確定k值：a.利用DIS向心力演示儀測(cè)出F、m、r、ω，得出k值;b.從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度證明勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體的加速度就ω2r是，則根據(jù)牛頓第二定律可得k等于1，即采用模式①和②相結(jié)合的方法。筆者的這種處理方式要用2個(gè)課時(shí)才能比較完美地完成該內(nèi)容的教學(xué)，這樣上課會(huì)從容點(diǎn)，課堂內(nèi)容也會(huì)比較飽滿，實(shí)驗(yàn)可以做的更充分，更具說服力。

本節(jié)課筆者采用問題串的形式層層深入引入向心力概念，以向心力的作用效果（改變速度方向）為切入點(diǎn)，讓學(xué)生去感受向心力，分析兩個(gè)實(shí)例中的向心力來源，學(xué)生易于接受理解。分析向心力的來源研究向心力時(shí)，有學(xué)生的隨堂實(shí)驗(yàn)，也有教師的演示實(shí)驗(yàn)，從定性到半定量再到定量角度，層層遞進(jìn)研究探究向心力大小和質(zhì)量、角速度、半徑的定量關(guān)系，最后得出結(jié)論。研究過程中注重啟發(fā)學(xué)生思考：怎么探究？怎么控制變量（具體怎么操作）？怎么測(cè)量向心力大?。ㄊ紫纫却_定向心力的來源，測(cè)量這個(gè)力就等于測(cè)量向心力大?。?？能得出什么結(jié)論？怎么確定比例系數(shù)？上課過程中注重啟發(fā)學(xué)生思考，形成物理觀念;注重讓學(xué)生養(yǎng)成仔細(xì)觀察、善于發(fā)現(xiàn)、勤于思考的良好習(xí)慣，引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會(huì)科學(xué)探究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和正確的價(jià)值觀。

3? 結(jié)束語

物理教學(xué)設(shè)計(jì)是一門藝術(shù)，指導(dǎo)思想是新一輪課改提出的“核心素養(yǎng)”[ 1 ]。教學(xué)設(shè)計(jì)的根本目的是：引導(dǎo)學(xué)生如何去發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生如何去解決問題，學(xué)生在思考與實(shí)踐中獲得知識(shí)與能力[ 2 ]。授人以魚，更要授人以漁，若干年后，學(xué)生也許忘記了大部分的知識(shí)，但是根深于腦海里的科學(xué)思維、方法和精神依然煥發(fā)著活力，伴隨著學(xué)生的一生。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版） [S].北京：人民教育出版社， 2018.

[2] 林清源. 核心素養(yǎng)下的高中物理課堂教學(xué)[J].天津教育，2021（2）：72-73.