高三物理生态课堂构建的思考与实践

徐 学

(江苏省苏州中学园区校,江苏 苏州 215021)

1 高三物理生态课堂构建的思考

2014年教育部印发了《关于全面深化课程改革,落实立德树人的根本任务的意见》,文中提出“教育部将组织研究提出各学段学生发展的核心素养体系,明确学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力．2017年版的《普通高中物理课程标准》中指出高中物理课程是普通高中自然科学领域的一门基础课程,旨在落实立德树人根本任务,进一步提升学生的物理学科核心素养,为学生的终身发展奠定基础,促进人类科学事业的传承与社会的发展．“学科核心素养是学科育人价值的集中体现,是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力．物理学科核心素养主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面．”因此培养学生核心素养是当今教育改革的主流．课堂教学是教育教学的主阵地,也是落实学生物理核心素养的关键所在,怎样的物理课堂有利于物理核心素养的培养呢?笔者认为高中物理生态课堂是一种好的教学模式．

何为高中物理生态课堂呢?从教育生态学来看,高中物理课堂是一个微型的生态系统,是由教师、学生、环境(包括教师创设的各种情境,实物实验,仿真实验,实物录像及各种教材等非生物因素)3个因子组成,教师是主导因子,学生是主体因子,环境是环境因子,这3个因子相互影响,相互渗透形成一个有机的整体．它们之间的相互作用的过程可用图1来表示.

图中表示教师依据教学的内容和学生的实际水平,设置好具有内在逻辑结构的问题情境,借助实物实验、录像及仿真实验,教学课件和教材素材各种器材与手段积极引导学生主动探究,观察思考,通过师生互动,生生合作,学生通过物理概念与物理规律的学习,不断内化,从而形成物理核心素养．在课堂上教师循循善诱,创设的问题情境层层深入,由易及难,小步子,多台阶．通过各种方式与手段引起学生的学习兴趣,学生在课堂上积极主动地投入到教师创设的各种情境中,认真思考,主动探究．相互协作,气氛热烈．从而形成一个良好的正反馈．这样的课堂就是笔者认为的高中物理生态课堂．

图1

目前的高三物理复习教学,教学任务繁重,题目训练量大,教师犹如行色匆匆的赶路人,沿着章节急急忙忙赶进度,围着试卷反反复复做题目,对着学生滔滔不绝讲要求,使物理教学失去了应有的活力和魅力,导致学生感到枯燥乏味．研究如何构建高三物理的生态课堂,夯实学生的核心素养有着非常重要的理论与现实的意义．不久前笔者开设一堂“带电粒子在叠加场中的运动”的公开课,受到听课专家与教师的好评．专家点评:“本节课通过环环相扣的问题并借助于信息技术的力量,把教师,学生和环境3个因子有机结合在一起,是高中物理生态课堂的一个好的案例．”因此笔者把本课的设计思想与教学流程呈现的给各位同行,作为抛砖引玉之用．

2 高三物理生态课堂构建的实践(带电粒子在叠加场中的运动)

从教学内容来看叠加场一般包括重力场、电场、磁场,指的是磁场与电场、磁场与重力场、电场与重力场在同一空间叠加,或者是3场在同一空间叠加．叠加场问题综合性强,覆盖的考点多(如牛顿定律、动能定理、能量守恒和圆周运动),是高考物理试题中的热点、难点．是培养学生物理核心素养中科学思维能力的非常好的素材．从学生层面来分析,由于带电粒子在叠加场中的运动时洛伦兹力会随着速度的变化而变化,粒子的加速度也随之发生变化,运动的轨迹较为复杂,再加上带电粒子在叠加场中运动的情景不易用实物实验来展示,学生缺乏相应的感性经验,因此解决相应的问题觉得尤为困难．为了解决以上困难笔者设计了以下的教学环节．(1) 引入新课,点明主题．教师通过课件视频展示各种带电粒子在叠加场做直线运动和曲线运动,还有周期性的运动,提出本课研究的主题是带电粒子在叠加场中的运动．(2) 带电粒子在叠加场做直线运动．通过讨论带电粒子在速度选择器中的运动性质,做直线运动的受力特点．使学生体会到洛伦兹力的特点总是与速度方向垂直,永不做功,洛伦兹力的大小随之速度的大小变化而变化,从而影响粒子运动的性质.(3) 带电粒子在叠加场中做圆周运动．通过问题的引导使学生思考如何让粒子进入电场与磁场的叠加场后做匀速圆周运动,培养学生的创新思维能力,通过带电粒子进入有约束的圆槽的实例,使学生熟练掌握动能定理的应用．(4) 带电粒子在叠加场中做摆线运动．通过静止的带电粒子在重力场与磁场构成的叠加场中做摆线运动的实例,使学生掌握机械能守恒定律,深刻理解向心力表达式中r的物理意义．(5) 提出问题,引发思考．通过几何画板课件,模拟了匀速圆周运动与匀速直线运动的合运动,使学生体会到摆线运动可以看成是匀速圆周运动与匀速直线运动的合运动．为下节课利用合成与分解的思想解决该题作好铺垫．

2.1 引入新课,点明主题

教师播放课件： 带电粒子在各种叠加场的运动．(直线运动,曲线运动,周期性的运动,如图2)

图2

学生： 学生观看课件.

教师讲述： 我们看到带电粒子在各种场中有的做直线运动,有的做曲线运动,有的做周期性运动,而在它们运动的空间同时存在着两种或两种以上的场,我们称之为叠加场．叠加场问题综合性强,覆盖的考点多(如牛顿定律、动能定理、能量守恒和圆周运动),是高考物理试题中的热点、难点．今天这堂课我们一起来复习叠加场问题．我们研究总是从简单到复杂．因此我们先来研究带电粒子在叠加场中做直线运动．

点评： 通过仿真物理实验室展示带电粒子在各种复合场中运动,使学生对带电粒子在叠加场的运动情况有了感性的认识,弥补带电粒子在叠加场不能做实物实验的缺陷．课件展示之后学生对本课充满着期望．

2.2 带电粒子在叠加场中的直线运动

图3

例1.如图3所示,水平放置的两块带电金属板a、b平行正对．极板长度为l,板间距为d,在极板的右侧有一块正中央开有小孔P的挡板．板间存在着方向竖直向下的匀强电场E和垂直于纸面向里磁感强度为B的匀强磁场．假设电场、磁场只存在于两板间的空间区域．一质量为m的带电荷量为+q的粒子(不计重力及空气阻力),正对着小孔以水平速度v0从两极板的左端中间O点射入场区,则下列说法正确的是

(D) 如果粒子从小孔处以v0水平向左运动,则仍将做直线运动.

学生回答： 答案(C)是正确的．认为粒子在水平方向上做匀速直线运动．在竖直方向上做匀加速直线运动．所以粒子做匀变速运动．

师生共同讨论： 当粒子向下偏转时,粒子的洛伦兹力不做功,电场力做正功．根据动能定理,带电粒子的速度将增大,由洛伦兹力f=qvB可知,洛伦兹力的大小将增大,而且洛伦兹力的方向总是垂直于速度的方向,随着粒子向下偏转．速度方向向下偏转,洛伦兹力的方向也随之顺时针偏转．因此带电粒子的合力随时间而变化,带电粒子将做变加速曲线运动．

课件展示： 教师播放课件,动态展示带电粒子在不同时刻的速度与洛伦兹力的矢量(如图4)．

图4

点评： 通过仿真物理实验室展示带电粒子在不同时刻的速度与洛伦兹力的矢量．使学生形象地观察到洛伦兹力随着速度的变化而变化．从而体会到洛伦兹力大小与速度的大小成正比,方向总与速度的方向垂直．

变式： 如图5所示,两虚线之间的空间内存在着正交或平行的匀强电场E和匀强磁场B,有一个带正电小球(电量为+q,质量为m)从正交或平行的电磁复合场上方的某一高度自由落下,那么哪些图中带电小球可能沿直线通过下列电磁复合场?并在相应的图上画出带电小球所受的力．

图5

学生： 应当选(A)、(C)、(D)．选(A)理由是当带电小球进入电磁场时,如果电场力与磁场力大小相等,方向相反．重力方向与运动方向相同．因此可以做直线运动．

师生讨论分析： 对于(A)选项,假如进入电磁场时电场力与磁场力大小相等,方向相反,但是竖直方向由于受到重力的作用,将继续做加速直线运动,从而引起洛伦兹力的大小增大,从而使带电粒子将向右偏转．因此(A)选项是错误的．

点评： 本题的(A)选项具有很大的诱导性．学生只顾着做直线运动的条件是合力与速度在同一直线上就会做直线运动的条件．但是忽略了洛伦兹力的大小与速度大小成正比的这一特点．只要速度的大小发生变化,且洛伦兹力发生作用,则洛伦兹力就会变化,从而引起带电粒子的合力和加速度发生变化．通过本题与例1的讨论使得学生对带电粒子在叠加场中做直线的运动的条件有了清晰的认识:就是洛伦兹力一定是恒力．只要粒子运动方向不与磁场平行(即洛伦兹力不等于0),则粒子做直线运动的性质是匀速直线运动．

2.3 带电粒子在叠加场中做圆周运动

过渡： 刚才我们一起探讨了带电粒子在叠加场中做直线运动受力特点与运动性质,下面一起讨论带电粒子在叠加场中做曲线运动的受力特点,曲线运动中匀速圆周运动是一种比较完美的运动形式,我们一起来探讨一下．

图6

思考： 如图6一个带正电小球从空中高为h处由静止下落至图中虚线区域由磁场与电场所组成的叠加场时做圆周运动,已知电场强度为E,磁感应强度为B．(重力加速度为g)

(1) 试画出虚线部分磁场与电场的方向．

(2) 分析电场力,磁场力与重力3者之间的关系．

学生讨论与板演： 经过学生分析,学生给出了在虚线区域由磁场与电场所组成的叠加场的组合方式有,磁场垂直于纸面向里和匀强电场方向竖直向上或磁场垂直纸面向外和匀强电场方向竖直向上．电场力与重力大小相等,方向相反．磁场的大小没有确定的值．

课件展示: 教师播放课件,动态展示带电粒子在电场与磁场及重力场3个场叠加区域的周期性的运动(如图7).

图7

点评： 通过本思考题的设计,使得学生从命题者的角度来思考叠加场的设计．一方面培养了学生的发散性思维与创新思维．另一方面使学生对带电粒子在叠加场中做匀速圆周运动受力特点有了清晰的理解．就是重力与电场力相互平衡,带电粒子相当于只受到洛伦兹力的作用,从而做匀速圆周运动．最后通过课件的展示使学生获得带电粒子做周期性运动的感性认识．

思考： 上面我们一起研究了带电粒子在叠加场中做匀速圆周运动条件,如果上述的电场撤除,增加一些条件,能否使带电粒子做圆周运动呢?

学生讨论： 可以在带电粒子的下方放一个圆形凹槽,小球沿凹槽切线进入就可以使带电粒子做圆周运动．

教师点评： 同学们的想法非常好,当带电粒子受到凹槽约束后就能沿圆周运动,但是同学们同时也要考虑小球能否一定沿圆形凹槽运动呢?现在我们先考虑小球沿凹槽做圆周运动的实例(例2)．

图8

例2.如图8所示,半圆形的光滑固定凹槽的半径为R,放置在一个垂直于纸面向里的匀强磁场中,磁场的磁感应强度为B,一个质量为m,带电量为+q的小球从凹槽的左边边缘由静止开始释放．(小球沿凹槽内壁运动)

(1) 求小球运动到凹槽底部的速度;

(2) 求小球运动至最低点时对凹槽的压力的大小.

学生讨论与板演： (1) 由动能定理

(1)

解得

(2)

(2) 在最低点:

(3)

把式(2)代入得

(4)

由牛顿第三定律可得小球对凹槽的压力大小

教师展示课件： 教师展示带电粒子在凹槽中来回运动的动态情境．同时动态显示重力,洛伦兹力和速度3个物理量．如图9所示．[图(a)小球的运动是从左边向右边运动,图中的矢量表示洛伦兹力,图(b)小球的运动是从右边向左边运动,图中的矢量表示洛伦兹力]

图9

学生恍然大悟： 原来在带电粒子返回的过程中由于带电粒子的运动方向变化了,带来了洛伦兹力的方向也变化了,因此对凹槽的压力也将发生变化．

因此当带电粒子从右向左经过最低点时

(5)

把(2)式代入(5)可得到

由牛顿第三定律可得

点评： 本题主要是考察学生理解洛伦兹力不做功．掌握利用动能定理和向心力公式解决圆周运动问题的方法．同时考察带电粒子在叠加场中运动的多解性问题．当教师通过课件展示带电粒子在来回运动过程中洛伦兹力方向的变化时,教室中出现了一片惊叹之声,学生们都恍然大悟．教师的课件用得恰到好处,达到了此地无声胜有声的效果．

2.4 带电粒子在叠加场中做摆线运动

思考： 如果让带电粒子由静止释放而没有圆形凹槽来承接,那么它的轨迹将是怎样的呢?

教师展示课件： 教师展示带电粒子由静止释放在重力场与磁场的共同作用做摆线运动(见图10).

图10

图11

变式.(2008年江苏高考)在场强为B的水平匀强磁场中,一质量为m、带正电q的小球在O点由静止释放,小球的运动曲线如图11所示.已知此曲线在最低点的曲率半径为该点到x轴距离的2倍,重力加速度为g.求:

(1) 小球运动到任意位置P(x,y)的速率v.

(2) 小球在运动过程中第一次下降的最大距离ym.

学生讨论与展示解题过程：

解析：(1)由动能定理

(1)

解得

(2)

(2) 由动能定理

(3)

在最低点

(4)

由r=2ym.

(5)

由(3)-(5)式解得

2.5 提出问题,引发思考

思考： (1) 如果上题中曲率半径为该点到x轴距离的2倍这一条件缺失,能否求小球下降的最大距离ym.

教师展示课件： 教师出示几何画板的课件,操作1:质点向右做匀速直线运动．操作2:质点做逆时针的匀速圆周运动．操作3:质点同时做向右的匀速直线运动和逆时针的匀速圆周运动，见图12.

图12

教师： 我们可以看到匀速直线运动与匀速圆周运动的合运动(数学称之为摆线)与我们刚才带电粒子在重力场与磁场的叠加场中的运动轨迹非常的相似．那刚才带电粒子的运动能否看作是这两种运动的合运动呢?这个留给学生们课后思考．

点评： 本题是江苏省的高考题,主要考察的动能定理,向心力公式相关知识．教师通过课件展示带电粒子在叠加场中做摆线运动,使学生对带电粒子在重力场与磁场的叠加场的运动轨迹有了感性认识．又通过几何画板课件的展示启发学生摆线运动可以看作匀速直线运动与匀速圆周运动的合运动．加强了学生思维的深度与广度．

教学反思： 高三的复习课的作用是巩固学生所学的物理概念和物理规律．由于在新课时物理概念与物理规律已经学过,学生往往自我感觉良好．如果课堂教学只是采用“教师讲,学生听”较为单一的教学手段,则课堂气氛势必枯燥乏味,教学效果达不到预期的效果．本节课的主题是带电粒子在叠加场中的运动．教学目标使学生深刻理解洛伦兹力的特点:洛伦兹力大小与速度大小成正比,方向总是与速度的方向垂直,洛伦兹力永不做功．对于带电粒子作曲线运动的常用解决的方案是动能定理与向心力公式的结合等．由于带电粒子在叠加场中的运动轨迹不易做实物实验来展示,而学生又缺乏相应的感性认识,特别是洛伦兹力与速度之间联动的变化关系很难理解．从而易认为粒子在叠加场中做匀变速曲线运动．对于多解性问题会造成漏解现象．为了解决上述问题,笔者为每一个例题制作了相应的课件,从课堂的实施来效果来看起到了相当好的辅助效果．学生对带电粒子在叠加场中受力特点与运动轨迹之间的关系有了更深刻的理解．同时也掌握了利用动能定理,向心力公式解决相应的叠加场问题．学生的科学思维得到了极大的锻炼．从而提升了学生的物理核心素养．仿真课件的恰当运用使得抽象问题形象化,极大地激发了学生的学习兴趣,课堂气氛热烈,学生参与度高,学生的思维投入度高．所以笔者认为对于高三物理的复习课,如果对于带电粒子在电磁场中这类不易做实物实验的复习课,仿真物理实验可以起到很好的辅助效果,这可能是构建高三物理生态课堂的有效策略之一．