劉 彤,李俊儒,郝 睿
寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,銀川 750021
為加強(qiáng)學(xué)生在實(shí)際情境中運(yùn)用物理知識,《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》針對學(xué)業(yè)質(zhì)量提出:試題的任務(wù)情境要與生產(chǎn)生活、科技發(fā)展等緊密聯(lián)系,要探索設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)相關(guān)的問題情境,加強(qiáng)對學(xué)生應(yīng)用物理學(xué)知識綜合解決實(shí)際問題能力的考查;能將較復(fù)雜的實(shí)際情境問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型;能在新的情境中對綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理[1]。創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué),對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用。情境化習(xí)題通過緊密聯(lián)系學(xué)生需要掌握的物理知識,使得學(xué)生在解決問題的過程中有身臨其境之感,很好地激起了學(xué)生的求知欲。其次,可以利用習(xí)題中真實(shí)而又復(fù)雜的情境,來鍛煉學(xué)生的理解、分析能力和思維擴(kuò)展能力[2],培養(yǎng)學(xué)生基于情境建構(gòu)模型的抽象概括能力。
短道速滑起源于加拿大,在1992年阿爾貝維爾冬奧會被列為正式比賽項(xiàng)目。2022年北京冬奧會短道速滑比賽在首都體育館進(jìn)行,自2月5日開賽至2月16日結(jié)束,在十幾天的比賽中,中國短道速滑隊(duì)以2金1銀1銅順利收官?!岸痰浪倩北荣惿婕傲撕芏喔咧形锢韯?dòng)力學(xué)知識,本文以此情境為載體進(jìn)行“動(dòng)力學(xué)”模塊習(xí)題設(shè)計(jì),不僅可以使學(xué)生在同一情境創(chuàng)設(shè)中發(fā)現(xiàn)知識之間的連貫性,培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型的科學(xué)思維能力,提升學(xué)生的物理素質(zhì)[3],也可以讓學(xué)生在情境中體會運(yùn)動(dòng)員十年如一日刻苦訓(xùn)練的艱辛和獎(jiǎng)牌的來之不易,提高學(xué)生的民族自豪感。
針對習(xí)題的情境設(shè)計(jì)要兼顧物理學(xué)科核心素養(yǎng)和高中學(xué)業(yè)命題考查的要求,為此,在自編題的情境創(chuàng)設(shè)中,將情境命題要求、核心素養(yǎng)和考查內(nèi)容設(shè)計(jì)為如圖1所示的框架圖。教師首先向?qū)W生介紹短道速滑項(xiàng)目的相關(guān)信息(表1)。通過此環(huán)節(jié)可以加深學(xué)生對短道速滑情境信息的認(rèn)識,為后續(xù)習(xí)題的模型建構(gòu)提供充分的準(zhǔn)備。
表1 短道速滑項(xiàng)目的相關(guān)信息
圖1 情境設(shè)計(jì)框架圖
師:起跑技術(shù)在短道速滑運(yùn)動(dòng)中至關(guān)重要,運(yùn)動(dòng)員起跑狀態(tài)越好,越容易在后續(xù)比賽中占據(jù)優(yōu)勢位置。優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員一般可以8步從起跑線滑到第一個(gè)轉(zhuǎn)彎標(biāo)志位置(圖2),故稱之為“黃金8步”。在直道階段,運(yùn)動(dòng)員需要盡可能地增加蹬冰力量從而獲得更快的滑行速度。
圖2 短道速滑賽道示意圖
自編題1:2018年冬奧會短道速滑500 m世界紀(jì)錄保持者武大靖在比賽過程中,從起跑線開始保持勻加速直線運(yùn)動(dòng)滑行16 m,進(jìn)入彎道前測得的瞬時(shí)速度v=8 m/s,求運(yùn)動(dòng)員在這段過程中的加速度a的大小和到達(dá)第一個(gè)彎道標(biāo)志塊的時(shí)間 t。
生:根據(jù)勻加速直線運(yùn)動(dòng)的公式
由于起跑初速度為0,解得
教師補(bǔ)充:由于起步階段對爆發(fā)力要求很高,所以運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練時(shí)需要加上一些專項(xiàng)的起步訓(xùn)練,比如在標(biāo)準(zhǔn)的起步姿勢下反復(fù)單腿站立、下蹲訓(xùn)練腿部肌肉力量。
觀看短道速滑比賽中運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)彎和直道滑行的圖片(圖3),學(xué)生發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員在彎道滑行時(shí)將身體傾斜很大的角度,不僅沒有摔倒,而且順利通過彎道,在彎道滑行結(jié)束后運(yùn)動(dòng)員隨即調(diào)整自己的身形體態(tài)變?yōu)橹绷⒒小?/p>
圖3 滑冰示意圖
教師解釋:運(yùn)動(dòng)員要克服人體向前做直線運(yùn)動(dòng)的慣性,所以身子要向彎道中心傾斜。接著引導(dǎo)學(xué)生對運(yùn)動(dòng)員滑行的兩種狀態(tài)進(jìn)行受力分析。
學(xué)生對這兩種滑行狀態(tài)分別進(jìn)行受力分析(圖 4)。
圖4 運(yùn)動(dòng)員受力分析圖
自編題2:冰面對短道速滑運(yùn)動(dòng)員的最大摩擦力約為自身重力的0.02倍,在水平冰面上沿半徑為8 m的半圓彎道滑行。若只靠摩擦力來提供向心力,為順利過彎,則運(yùn)動(dòng)員的速度v1為多少?圖3中武大靖為提高轉(zhuǎn)彎速度,身子向左方傾斜約67.8°,在忽略摩擦力的情況下,速度v2又將怎樣變化? (tan67.8°≈2.45)
生:水平彎道可以近似看成圓周運(yùn)動(dòng),利用圓周運(yùn)動(dòng)知識,只靠摩擦力提供向心力時(shí),豎直方向重力和支持力平衡,受力分析如圖5所示。
圖5 受力分析圖
學(xué)生計(jì)算發(fā)現(xiàn),如果只靠摩擦力來提供向心力的話,彎道速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。通過圖4受力分析可知,當(dāng)運(yùn)動(dòng)員傾斜身體時(shí),冰面對運(yùn)動(dòng)員的支持力FN的豎直分力Fy與重力G二力平衡,水平分力Fx提供向心力,則有
通過數(shù)據(jù)可知,靠運(yùn)動(dòng)員所受支持力的水平分力來提供向心力時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于僅靠摩擦力時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度。由此,學(xué)生就可以利用圓周運(yùn)動(dòng)的知識解釋為什么在賽道轉(zhuǎn)彎時(shí)身體要向內(nèi)傾斜而不是直立通過了。
教師補(bǔ)充:在短道速滑的賽道中彎道比直道更容易實(shí)現(xiàn)超越,但是也需要更多的技巧。如果在變換路線進(jìn)行超越時(shí)未及時(shí)調(diào)整身體傾角,會出現(xiàn)提供的向心力與所需向心力大小不匹配,進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員摔倒。
自編題3:一質(zhì)量為m的運(yùn)動(dòng)員由于壓彎出現(xiàn)問題,在圓弧軌道頂端沿切線方向摔出跑道,與相距s1的彈性泡沫防護(hù)墊正撞。已知運(yùn)動(dòng)員以速度v摔倒之后與冰面接觸,其動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,撞上防護(hù)墊后反彈距離為s2,設(shè)在碰撞時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)員對防護(hù)墊的平均作用力為F,求運(yùn)動(dòng)員與防護(hù)墊接觸的時(shí)間t。
教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維,不拘泥于一種形式解決實(shí)際問題。小組結(jié)合題干分析、合作討論后發(fā)現(xiàn),若求時(shí)間t,一定要用到動(dòng)量定理,而求速度則成為這道題的解題關(guān)鍵。速度可以運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)和能量守恒知識兩種方法求得。
①動(dòng)力學(xué)為主的解決方法
首先,學(xué)生需要考慮在滑行過程中受到摩擦力,在這個(gè)過程中所受摩擦力方向與運(yùn)動(dòng)員速度方向相反,故做負(fù)功。利用牛頓第二定律求得運(yùn)動(dòng)過程的加速度,再套用運(yùn)動(dòng)學(xué)的方程公式。
運(yùn)動(dòng)員剛接觸泡沫防護(hù)墊時(shí)的速度設(shè)為v1,則有
剛離開泡沫防護(hù)墊時(shí)的速度設(shè)為v2,則有
可解得
②能量守恒為主的解決方法
利用能量守恒定律,學(xué)生可將整個(gè)過程分為三個(gè)階段:碰撞前、碰撞時(shí)、碰撞后。按照階段分析狀態(tài)始末的能量,即可解出碰撞前后的速度v。
在剛接觸泡沫防護(hù)墊前
離開泡沫防護(hù)墊到運(yùn)動(dòng)員停下后
可解得
運(yùn)用兩種方法解決物理問題,在比較中尋找更合適、簡便的算法,在運(yùn)算中鞏固所學(xué)知識和模型建構(gòu)的能力,是題目設(shè)計(jì)意圖所在。
背景知識:在短道速滑賽場上,除了個(gè)人競賽,還有需要團(tuán)隊(duì)配合的接力速滑。在接力賽中,最為重要的是在滑行中運(yùn)動(dòng)員之間的交接。從專業(yè)角度來說,第二棒必須是線路掌握得好的,而且最好身材小一些、體重輕一些的,而一棒除了要求速度快,一般體格也要求稍微大一點(diǎn),這樣在一棒絕對速度快的情況下,推體型小的二棒會讓其速度更快。
自編題4:北京冬奧會的混合接力比賽中,根據(jù)教練團(tuán)的戰(zhàn)略部署,我國的陣容搭配是一棒范可新、二棒張雨婷、三棒任子威、四棒武大靖,四人體重分別為 55 kg、45 kg、70 kg、73 kg。 當(dāng)滑行速度為6 m/s的范可新和速度為3 m/s的張雨婷在直道上進(jìn)行交接(圖6)時(shí),假設(shè)交接時(shí)無能量損失,那么交接后的兩人速度分別為多少?如果兩人的交接順序倒過來,在交接速度不變的情況下,交接后的速度有什么變化?
圖6 交接示意圖
如果學(xué)生對于題干中的交接過程不能快速抽象出物理模型,教師可以引導(dǎo)學(xué)生把運(yùn)動(dòng)員想象成物塊之間的碰撞過程,再回歸題干情境中利用碰撞知識點(diǎn)解釋運(yùn)動(dòng)員交接問題。該教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了將接力情境轉(zhuǎn)為物體碰撞的模型再到用碰撞模型去解釋接力過程的高效轉(zhuǎn)化,從而提高學(xué)生將情境與物理知識相結(jié)合的能力。
對比發(fā)現(xiàn):在顛倒順序交接后,二棒速度減小,不利于比賽取得優(yōu)勢。
現(xiàn)階段的物理習(xí)題已多偏向于聯(lián)系實(shí)際生活,但是模塊化的情境設(shè)置還比較少?;谕磺榫郴蛲幌盗星榫橙ピO(shè)置涵蓋模塊知識的一套習(xí)題,既可以將模塊知識由淺入深地串聯(lián)起來,又可以讓學(xué)生在情境中將知識依次進(jìn)階,在反復(fù)應(yīng)用中加深對知識的理解和掌握。