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。

1 融合速滑項(xiàng)目情境的習(xí)題設(shè)計(jì)

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

1.1 “黃金8步”起步

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。

1.2 “壓道轉(zhuǎn)彎”

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。

1.3 接力速滑

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。

2 總結(jié)

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。