基于“主题牵引 问题驱动”的“平抛运动”教学设计

王宝成 周 航

（1.南京航空航天大学苏州附属中学，江苏 苏州 215000；2.苏州大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006）

2017版的《普通高中物理课程标准》提出，物理教学不能仅以知识为线索来开展，只重视学生对知识的获得，而忽略学生物理学科核心素养的培养.物理学科的核心素养是学生在学习物理过程中逐步形成的知识积淀、思维品质、能力表现、科学思想以及科学的情感、态度和价值观的综合体现，因此，教师在物理教学中，探索新途径，帮助学生培养科学思维，激发其对科学探究的兴趣，成为了优化物理教学和提升学生物理学科核心素养的重要组成部分.

平抛运动是一种典型的曲线运动，更是教学过程中的重难点.本文以“平抛运动”主题为牵引，依托问题驱动，探讨“平抛运动”教学设计思路.

1 经典电影视频，创设实际情景

将经典电影引入物理课堂，不仅可以引起学生的共鸣，更激发了学生学习新知识的欲望，进而提升教学质量，也更好地落实核心素养教学理念.

情景导入：如图1所示，2015年《速度与激情7》上映，其中有一片段，范迪塞尔和保罗沃克驾驶着全球仅有的几辆超级跑车，在阿布扎比的摩天大楼之间飞越，跑车留下了一道红色的运动轨迹.

图1 跑车飞跃摩天大楼

问题1：在现实中，跑车飞越大楼这种场景是否可以实现呢？需要具备哪些条件？

问题2：跑车的运动轨迹具有什么特点？是不是抛体运动？

设计意图：学生通过观察电影视频，可以感受到学习该运动的重要性，虽不能定量分析跑车的运动，但可知道跑车运动的轨迹为曲线.通过情景导入，激发学生的学习兴趣，引导学生构建平抛运动的物理模型，培养学生的科学思维能力.

2 依据实际情景，构建物理模型

基于实际情景，提出问题.

问题3：跑车在运动过程中还受到了哪些力？

问题4：如何定义平抛运动？该运动具有什么特点？

引导学生以跑车为研究对象，忽略空气阻力等因素，定义跑车的运动为平抛运动，将物体以一定的初速度抛出，如果物体只受重力作用，这种运动叫做抛体运动.若初速度方向是水平的，则为平抛运动.

设计意图：通过生动的原始问题，激发学生解决物理问题的热情.在综合分析物理问题时，忽略次要因素，提炼和构建具体的物理模型，是一种重要的科学思维方式.

3 平抛运动知识的理论分析

问题5：跑车的运动是直线还是曲线？可以把它分解成哪两个方向？

问题6：猜想跑车在水平和竖直方向分别做什么运动？为什么会做这样的运动？

引导学生分析跑车的运动过程，并指导学生将运动过程进行分解，即分析物体在某个方向上发生了哪类具体的运动.平抛运动具有水平的初速度，且只受竖直方向的重力作用.如将平抛运动分解成水平和竖直方向上的运动，那么物体在水平方向上只有初速度，无力的作用，由牛顿第一定律可知，水平方向上做匀速直线运动.同理，物体在竖直方向上无初速度，只受重力的作用，根据牛顿第二定律得出mg=ma，竖直方向的加速度为重力加速度g，即物体做自由落体运动.

设计意图：科学探究能力是指发现问题，提出猜想与假设，基于原理给予解释.在教学中采用“运动分解”的方法将复杂的平抛运动分解为两个简单的直线运动.让学生根据已知条件分析物体的运动，经过交流讨论，证实猜想，深化了学生的物理思维，发展了学生的物理观念.

4 平抛运动规律的实验验证

4.1 探究平抛运动水平方向上的分运动性质

装置介绍：教师出示并介绍平抛运动演示仪（如图2）：装置中有小钢球 A、B、C.通电后，它们被小磁铁所吸引，D处为激光束遮挡位置.

图2 平抛运动演示仪

演示实验：断开开关，A、B两小球同时从两个轨道顶端的电磁铁上释放.

实验现象：如图3所示，小球A刚从缺口处水平抛出时，小球B恰好到达水平轨道处，并开始做匀速直线运动，在某一时刻小球A正好击中做匀速直线运动的小球B.

图3 探究平抛运动水平方向分运动性质的实验

实验结论：平抛运动在水平方向上的分运动是匀速直线运动.

4.2 探究平抛运动竖直方向上的分运动性质

问题7：观察平抛运动演示仪，思考如何利用装置检验小球在竖直方向做自由落体运动？

问题8：出现什么样的现象能证明平抛运动在竖直方向上为自由落体运动？

实验方案：让小球A水平抛出的同时，小球C做自由落体运动，若两球在空中恰好相碰，则验证了平抛运动规律.

实验现象：如图4所示，某一时刻，小球A和C在竖直方向上位移基本相等，恰好在空中相碰.

图4 探究平抛运动竖直方向分运动性质实验

实验结论：平抛运动在竖直方向上分运动是自由落体运动.

4.3 平抛运动规律的再验证

问题9：本实验过程较快，无法准确观测到小钢球在某时刻的具体位置，如何清晰地观察到运动过程的中间轨迹呢？

问题10：实验中，不同方向上的位移是否完全相等？由哪些因素造成？如何减小实验误差？

实验方案：利用手机等设备的频连拍功能拍摄多组照片，或凝时拍摄功能拍摄实验视频，记录观察小球在平抛运动过程中不同时刻的具体位置.

实验现象：连续拍摄小球的多个位置，发现做平抛运动的小球A的位移和分别做水平匀速直线运动的小球B、竖直自由落体运动的小球C的位移是近似相等的.细心的同学看到小球的位置并不是完全重合的.

实验结论：手机等设备的频连拍的时间间隔是相等的，观察到水平和竖直方向位移基本相等，但不是完全相同，产生的误差是由于微小阻力造成的.所以，平抛运动的水平方向和竖直方向分别为匀速直线运动和自由落体运动.

设计意图：利用典型实验装置、手机、数码相机等多维度验证平抛运动规律，不仅培养了学生运用现代科技进行科学探究的能力，还激发了学生创新的科学思维.

5 总结物理规律，培养思维能力

通过上述系列实验，总结物理规律如表1.

表1

6 解决实际问题，升华知识认知

实践是验证知识掌握程度最好的标准，通过解决实际问题，能够更好的增强学生对知识的理解力和认知力.

例题.如图5所示，假设跑车从大厦顶层水平运动，大厦的高度分别是：305 m，260 m.且两幢大厦之间的距离是100 m.（跑车最大时速为395 km／h）

图5

（1）计算跑车至少需要多大的初速度才能恰好到达另一座大厦的顶层？

（2）跑车到达另一座大厦的速度和位置？

知识来源于生活，把物理课程中所学的知识和方法用于分析和解决实际问题.在探究问题的过程中，提高了学生分析问题和总结规律的能力，增强了科学实践意识，帮助学生养成严谨的科学态度，并促进学生的物理学科素养的形成.