提升中职生物理学科核心素养的实践——以“转动的力量”教学为例

倪志强 郭明娅

(1. 浙江省杭州市临平职业高级中学，浙江 杭州 311100；2. 浙江省杭州市余杭区教育发展研究学院，浙江 杭州 311100)

我校数控部招收的“中本一体”班学生素质较好，教学要求也高，需开设人教版高中物理必修课程。为更好地提升学生的核心素养，为高校输送优质人才，我校对该班教学进行改革探索，以展“魅力物理，魔幻实验”知识拓展类的研究性课程为依托，在课内外展开一系列学生实验，充分调动学生的学习积极性，使学生在接受物理教育的过程中，逐步形成适合个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。

“转动的力量”的教学选取三组经典实验，针对高职生来创设问题情境、观察记录现象；提出具有很强导向作用的启发性问题，使学生不由自主沿着问题方向去思考，积极参与探究活动；用已有的知识分析和解决问题，拓展知识，把核心素养的培育有机地融入到探究活动中，使学生养成终生发展所需的必备品格与关键能力。

1 粘住的硬币

引入：我们知道，苹果受地球引力作用会落地。天上的月亮虽受地球引力作用却没落地，这是由于月亮在绕地球运转。你能让硬币通过最高点时，虽受地球引力作用却不脱离衣架吗？

实验目的：探究让硬币在衣架旋转中不脱离衣架的现象。

实验器材：用金属丝制成的衣架，一元硬币。

实验步骤：(1) 用力拉金属丝做成的衣架，使衣架形成长窄的菱形状；

(2) 让衣架挂右手食指上，调整衣架的弯头，使弯头在衣架重心的正下方，锉平弯头；

(3) 将一枚硬币放在衣架锉平的弯头上(图1)；

(4) 摆动衣架，先左右来回摆动，然后使衣架做竖直平面内的圆周运动。

图1

问题1：为什么硬币不脱离衣架钩端点？是衣架粘住了硬币吗？

获取和处理信息：(1) 硬币在竖直平面内做圆周运动；(2) 想一想类似的案例：汽车过拱形桥、过山车、水流星等；(3) 两物体不脱离的原因是：物体间存在弹力。

交流解释：硬币在竖直平面内做圆周运动时，需要向心力。当运动到最高点、所需向心力大于硬币重力时，衣架对硬币就会有弹力作用，这时硬币就不会脱离衣架，转得越快，“粘”得越牢。

问题2：为什么衣架的弯头在衣架重心的正下方时，实验容易做成功？

交流解释：硬币在竖直平面内做变速圆周运动时，需要有切向的力改变速度的大小，当衣架的弯头在衣架重心的正下方时弹力指向圆心，这样所需的摩擦力(切向)较小，硬币与衣架钩端点间不易打滑。

问题3：让衣架转动逐渐变慢，硬币会不会脱离衣架，为什么？若会，硬币脱离发生在( )。

A. 圆心下方上升阶段

B. 圆心下方下降阶段

C. 圆心上方下降阶段

D. 圆心上方上升阶段

现象记录：硬币会脱离衣架，在圆心上方上升阶段发生。

交流解释：因为转动过程中硬币与衣架间始终存在弹力作用。当转速变慢时，改变硬币速度所需的摩擦力大于最大静摩擦力时，硬币就会脱离衣架沿切向飞出。

设计意图：本实验比“过山车”取材更容易，且衣架与硬币一起转动而不脱离，更能引起学生好奇。实验现象奇特，学生也能用已有的知识分析和解决问题。通过该实验，激发了学生对圆周运动研究的兴趣。

2 转动的力量

引入：伽利略通过“斜面理想实验”，论证了物体在不受外力作用时，将保持静止或匀速直线运动；牛顿提出物体具有保持静止状态或匀速直线运动状态的固有属性——惯性。那么当物体转动时会不会也有类似特性？

实验目的：研究旋转的定轴性，了解陀螺仪的作用。

实验器材：陀螺，自行车前轮，旋转台(或旋椅)，陀螺玩具。

2.1 陀螺

观看王亚平太空授课视频中的陀螺演示，让学生描述观察到的现象，并提出问题。

现象：旋转的陀螺具有定轴性；没有旋转的陀螺，在外力作用下会翻转。

你能提出什么想研究的问题？

在实验桌上放置一光滑木板，木板上放两只相同的陀螺，让其中一只陀螺高速旋转。

迅速提升木板，将两陀螺抛向空中。

现象：转动的陀螺具有定轴性；没有旋转的陀螺，在空中翻转。

知识链接：我们知道，一切物体具有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质，即惯性。物体的质量越大，外力改变它的运动状态就越难。物体也具有保持匀速转动状态的性质，要改变物体的转动角速度(包括改变角速度大小和转轴方向)，就必须施加外力矩。转动惯量越大、转动角速度越大，物体的转动轴方向就越难改变。

定轴性就是高速旋转的物体，在没有外力矩作用时，物体的自转轴在惯性系中的指向保持稳定不变的特性，也称稳定性。物体的转动惯量越大，稳定性越好；角速度越大，稳定性越好。

设计意图：质点具有在不受外力时保持原有运动状态的属性——惯性。通过对陀螺的初步实验，理解刚体具有在不受外力(矩)时有保持角速度(角动量)不变的属性。对比分析可帮助学生理解惯性概念。

2.2 自行车轮

(1) 在轮轴一侧固定一绳，将车轮吊于空中，观察车轮的状态；

(2) 在轮轴两侧各固定一绳，将车轮吊于空中且保持轮轴水平；

(3) 带上手套，一手扶着轮轴，另一手拍打车轮使它高速旋转起来(图3)；

图3

(4) 请同学们猜测：如果剪断一边的绳，会出现什么现象？

(5) 剪断一边的绳。

现象：车轮不倒下来。

问题1：剪断绳后用力使轮轴倾斜，放手后观察轮轴是否会恢复水平？

实验结论：可以使轮轴倾斜，放手后轮轴仍然为原样倾斜。

问题2：除了车轮绕轮轴稳定转动外，还观察到了什么现象？

现象：车轮不倒下来，在水平面旋转(进动)。

问题3：各组车轮水平旋转的方向一致吗？影响其旋转方向的可能因素是什么？

实验结论：取决于车轮旋转的方向以及剪断的是哪边的绳子。

(6) 请一同学站在旋转台(或坐在转椅)上，用力使原来竖直的车轮面倾斜(图4)。

图4

车轮高速旋转车轮不旋转轮面上方右倾轮面上方左倾轮面恢复竖直轮面上方右倾轮面上方左倾用力情况用力向右用力向左不需要不需要不需要旋转台(转椅)向右转向左转不动不动不动

知识链接：物体在旋转的时候，不但围绕本身的轴线自转，且还围绕一个垂直轴作锥形进动。当自身轴不垂直于地面时，与地面法线有一定的偏离角，重力对物体的力矩不为零。而物体的进动角动量可以平衡重力矩的作用，所以物体在旋转时不会倒向地面。围绕轴线作自转的快慢决定着偏离角的大小。转得越快，偏离角越小，稳定性就越好。

设计意图：让学生对已学的物体惯性的认知迁移到转动惯量的探究中，通过对转动的研究，会拓展学生对惯性的认识。

通过对自行车轮的实验探究过程和结果进行交流、评估、反思，学会思考问题的方法，加深对定轴的理解，同时也让学生明白：条件不同，结果往往也不尽相同，只有通过实验才能显现事实，进而思考背后的原理，发现规律。以上设计的许多问题在中学阶段并不涉及，为拓展性知识。学生通过观察与分析，能初步得到结论，不仅开阔了视野，而且加深对已有知识的理解。

2．3 陀螺

(1) 将两个金属陀螺玩具分别架在模型船上，其中一个陀螺高速旋转，晃荡水面，观察小船的特征(图5)。

图5

实验结论：放有旋转陀螺玩具的小船没有随水面摇晃，有很好的稳定性。

(2) 玩一玩，想一想：将一元硬币立在水平玻璃面上，抬起玻璃的一端，你能做到使硬币不倒吗？

成功秘笈：先让硬币旋转起来。

思考：运动员推出的冰壶总是旋转的，投掷铁饼出手时有个手指拨饼动作，其目的是什么？

任务：把陀螺玩出各种花样。

知识链接：陀螺效应生产、生活有广泛的应用，如高速射出的子弹在空中飞行方向不会发生翻转，是因为枪筒的螺纹(膛线)使子弹在前进的同时发生了旋转。

陀螺仪常用于航海导航及航空航天中。它能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或自动导航仪来控制飞机、舰船、航天飞机、导弹、火箭等完成航行体的姿态控制。陀螺仪作为稳定器，能使列车在单轨上平稳行驶，能减小船舶的摇摆，能使飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等。陀螺仪应用范围广泛，它在国防建设和国民经济建设中均具有重要作用。

设计意图：借用陀螺仪，体验其稳定性，体会科学的神奇，激发学生对科学的热爱。养成基于证据得出结论并做出解释的学习习惯，引导学生运用发散性思维，解决实际问题。

3 神奇的手链

引入：车轮要用坚硬的材料并用辐条加固，软链条能像车轮一样滚向前方吗？

实验目的：观察软链条高速转动后在水平地面滚动的现象。

实验器材：珠子手链，电钻，可乐瓶。

(1)截取半个可乐瓶，在瓶盖中央钻一小孔，用螺帽把瓶盖固定在螺丝上，用电钻头夹紧螺丝；

(2)将手链套在可乐瓶上，打开电钻电源，待电钻转动稳定后，用牙签把手链拨离可乐瓶(图6)；

图6

(3)观察手链在水平面上的运动。

现象：手链脱离瓶后会继续滚动一段距离。

(4)再重复实验，观察手链的形状、主动轴的方向及运动轨迹。

问题1：手链的形状为什么是圆形，且能保持圆状而不会在重力作用下塌陷？

珠子(手链上的每一点)做高速圆周运动时，需要足够的向心力，这个力由珠子两侧的切向弹力(链子的张力)的合力提供，张力使链子围成的面积增大，而周长一定时圆面积最大。

问题2：造成手链的主动轴的方向不同的原因是什么？为什么手链轴向能保持不变、而不会倒向地面？

主动轴的方向决定于手链脱离可乐瓶时的轴向，转动的物体具有定轴性。

问题3：影响手链运动轨迹的因素是什么？

决定于手链主动轴的方向，物体在旋转的时候，不但围绕本身的轴线自转，且还围绕一个垂直轴作进动。

设计意图：通过对高速转动软链条的探究，综合了前面的实验结论，可实现深度学习。促使学生在观察手链的形状、主动轴的方向及运动轨迹的活动中，展示出对转动的新认识、新思考，培育学生的合作与交流的能力。

4 结语

中职物理选修课程旨在通过课外进一步的学习，促进学生形成物理观念，培养他们的科学思维和探究能力，养成科学态度与责任，为学生的终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战打下坚实基础。