高三物理生態課堂構建的思考與實踐

徐 學

(江蘇省蘇州中學園區校,江蘇 蘇州 215021)

1 高三物理生態課堂構建的思考

2014年教育部印發了《關于全面深化課程改革,落實立德樹人的根本任務的意見》,文中提出“教育部將組織研究提出各學段學生發展的核心素養體系,明確學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力．2017年版的《普通高中物理課程標準》中指出高中物理課程是普通高中自然科學領域的一門基礎課程,旨在落實立德樹人根本任務,進一步提升學生的物理學科核心素養,為學生的終身發展奠定基礎,促進人類科學事業的傳承與社會的發展．“學科核心素養是學科育人價值的集中體現,是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力．物理學科核心素養主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”4個方面．”因此培養學生核心素養是當今教育改革的主流．課堂教學是教育教學的主陣地,也是落實學生物理核心素養的關鍵所在,怎樣的物理課堂有利于物理核心素養的培養呢?筆者認為高中物理生態課堂是一種好的教學模式．

何為高中物理生態課堂呢?從教育生態學來看,高中物理課堂是一個微型的生態系統,是由教師、學生、環境(包括教師創設的各種情境,實物實驗,仿真實驗,實物錄像及各種教材等非生物因素)3個因子組成,教師是主導因子,學生是主體因子,環境是環境因子,這3個因子相互影響,相互滲透形成一個有機的整體．它們之間的相互作用的過程可用圖1來表示.

圖中表示教師依據教學的內容和學生的實際水平,設置好具有內在邏輯結構的問題情境,借助實物實驗、錄像及仿真實驗,教學課件和教材素材各種器材與手段積極引導學生主動探究,觀察思考,通過師生互動,生生合作,學生通過物理概念與物理規律的學習,不斷內化,從而形成物理核心素養．在課堂上教師循循善誘,創設的問題情境層層深入,由易及難,小步子,多臺階．通過各種方式與手段引起學生的學習興趣,學生在課堂上積極主動地投入到教師創設的各種情境中,認真思考,主動探究．相互協作,氣氛熱烈．從而形成一個良好的正反饋．這樣的課堂就是筆者認為的高中物理生態課堂．

圖1

目前的高三物理復習教學,教學任務繁重,題目訓練量大,教師猶如行色匆匆的趕路人,沿著章節急急忙忙趕進度,圍著試卷反反復復做題目,對著學生滔滔不絕講要求,使物理教學失去了應有的活力和魅力,導致學生感到枯燥乏味．研究如何構建高三物理的生態課堂,夯實學生的核心素養有著非常重要的理論與現實的意義．不久前筆者開設一堂“帶電粒子在疊加場中的運動”的公開課,受到聽課專家與教師的好評．專家點評:“本節課通過環環相扣的問題并借助于信息技術的力量,把教師,學生和環境3個因子有機結合在一起,是高中物理生態課堂的一個好的案例．”因此筆者把本課的設計思想與教學流程呈現的給各位同行,作為拋磚引玉之用．

2 高三物理生態課堂構建的實踐(帶電粒子在疊加場中的運動)

從教學內容來看疊加場一般包括重力場、電場、磁場,指的是磁場與電場、磁場與重力場、電場與重力場在同一空間疊加,或者是3場在同一空間疊加．疊加場問題綜合性強,覆蓋的考點多(如牛頓定律、動能定理、能量守恒和圓周運動),是高考物理試題中的熱點、難點．是培養學生物理核心素養中科學思維能力的非常好的素材．從學生層面來分析,由于帶電粒子在疊加場中的運動時洛倫茲力會隨著速度的變化而變化,粒子的加速度也隨之發生變化,運動的軌跡較為復雜,再加上帶電粒子在疊加場中運動的情景不易用實物實驗來展示,學生缺乏相應的感性經驗,因此解決相應的問題覺得尤為困難．為了解決以上困難筆者設計了以下的教學環節．(1) 引入新課,點明主題．教師通過課件視頻展示各種帶電粒子在疊加場做直線運動和曲線運動,還有周期性的運動,提出本課研究的主題是帶電粒子在疊加場中的運動．(2) 帶電粒子在疊加場做直線運動．通過討論帶電粒子在速度選擇器中的運動性質,做直線運動的受力特點．使學生體會到洛倫茲力的特點總是與速度方向垂直,永不做功,洛倫茲力的大小隨之速度的大小變化而變化,從而影響粒子運動的性質.(3) 帶電粒子在疊加場中做圓周運動．通過問題的引導使學生思考如何讓粒子進入電場與磁場的疊加場后做勻速圓周運動,培養學生的創新思維能力,通過帶電粒子進入有約束的圓槽的實例,使學生熟練掌握動能定理的應用．(4) 帶電粒子在疊加場中做擺線運動．通過靜止的帶電粒子在重力場與磁場構成的疊加場中做擺線運動的實例,使學生掌握機械能守恒定律,深刻理解向心力表達式中r的物理意義．(5) 提出問題,引發思考．通過幾何畫板課件,模擬了勻速圓周運動與勻速直線運動的合運動,使學生體會到擺線運動可以看成是勻速圓周運動與勻速直線運動的合運動．為下節課利用合成與分解的思想解決該題作好鋪墊．

2.1 引入新課,點明主題

教師播放課件： 帶電粒子在各種疊加場的運動．(直線運動,曲線運動,周期性的運動,如圖2)

圖2

學生： 學生觀看課件.

教師講述： 我們看到帶電粒子在各種場中有的做直線運動,有的做曲線運動,有的做周期性運動,而在它們運動的空間同時存在著兩種或兩種以上的場,我們稱之為疊加場．疊加場問題綜合性強,覆蓋的考點多(如牛頓定律、動能定理、能量守恒和圓周運動),是高考物理試題中的熱點、難點．今天這堂課我們一起來復習疊加場問題．我們研究總是從簡單到復雜．因此我們先來研究帶電粒子在疊加場中做直線運動．

點評： 通過仿真物理實驗室展示帶電粒子在各種復合場中運動,使學生對帶電粒子在疊加場的運動情況有了感性的認識,彌補帶電粒子在疊加場不能做實物實驗的缺陷．課件展示之后學生對本課充滿著期望．

2.2 帶電粒子在疊加場中的直線運動

圖3

例1.如圖3所示,水平放置的兩塊帶電金屬板a、b平行正對．極板長度為l,板間距為d,在極板的右側有一塊正中央開有小孔P的擋板．板間存在著方向豎直向下的勻強電場E和垂直于紙面向里磁感強度為B的勻強磁場．假設電場、磁場只存在于兩板間的空間區域．一質量為m的帶電荷量為+q的粒子(不計重力及空氣阻力),正對著小孔以水平速度v0從兩極板的左端中間O點射入場區,則下列說法正確的是

(D) 如果粒子從小孔處以v0水平向左運動,則仍將做直線運動.

學生回答： 答案(C)是正確的．認為粒子在水平方向上做勻速直線運動．在豎直方向上做勻加速直線運動．所以粒子做勻變速運動．

師生共同討論： 當粒子向下偏轉時,粒子的洛倫茲力不做功,電場力做正功．根據動能定理,帶電粒子的速度將增大,由洛倫茲力f=qvB可知,洛倫茲力的大小將增大,而且洛倫茲力的方向總是垂直于速度的方向,隨著粒子向下偏轉．速度方向向下偏轉,洛倫茲力的方向也隨之順時針偏轉．因此帶電粒子的合力隨時間而變化,帶電粒子將做變加速曲線運動．

課件展示： 教師播放課件,動態展示帶電粒子在不同時刻的速度與洛倫茲力的矢量(如圖4)．

圖4

點評： 通過仿真物理實驗室展示帶電粒子在不同時刻的速度與洛倫茲力的矢量．使學生形象地觀察到洛倫茲力隨著速度的變化而變化．從而體會到洛倫茲力大小與速度的大小成正比,方向總與速度的方向垂直．

變式： 如圖5所示,兩虛線之間的空間內存在著正交或平行的勻強電場E和勻強磁場B,有一個帶正電小球(電量為+q,質量為m)從正交或平行的電磁復合場上方的某一高度自由落下,那么哪些圖中帶電小球可能沿直線通過下列電磁復合場?并在相應的圖上畫出帶電小球所受的力．

圖5

學生： 應當選(A)、(C)、(D)．選(A)理由是當帶電小球進入電磁場時,如果電場力與磁場力大小相等,方向相反．重力方向與運動方向相同．因此可以做直線運動．

師生討論分析： 對于(A)選項,假如進入電磁場時電場力與磁場力大小相等,方向相反,但是豎直方向由于受到重力的作用,將繼續做加速直線運動,從而引起洛倫茲力的大小增大,從而使帶電粒子將向右偏轉．因此(A)選項是錯誤的．

點評： 本題的(A)選項具有很大的誘導性．學生只顧著做直線運動的條件是合力與速度在同一直線上就會做直線運動的條件．但是忽略了洛倫茲力的大小與速度大小成正比的這一特點．只要速度的大小發生變化,且洛倫茲力發生作用,則洛倫茲力就會變化,從而引起帶電粒子的合力和加速度發生變化．通過本題與例1的討論使得學生對帶電粒子在疊加場中做直線的運動的條件有了清晰的認識:就是洛倫茲力一定是恒力．只要粒子運動方向不與磁場平行(即洛倫茲力不等于0),則粒子做直線運動的性質是勻速直線運動．

2.3 帶電粒子在疊加場中做圓周運動

過渡： 剛才我們一起探討了帶電粒子在疊加場中做直線運動受力特點與運動性質,下面一起討論帶電粒子在疊加場中做曲線運動的受力特點,曲線運動中勻速圓周運動是一種比較完美的運動形式,我們一起來探討一下．

圖6

思考： 如圖6一個帶正電小球從空中高為h處由靜止下落至圖中虛線區域由磁場與電場所組成的疊加場時做圓周運動,已知電場強度為E,磁感應強度為B．(重力加速度為g)

(1) 試畫出虛線部分磁場與電場的方向．

(2) 分析電場力,磁場力與重力3者之間的關系．

學生討論與板演： 經過學生分析,學生給出了在虛線區域由磁場與電場所組成的疊加場的組合方式有,磁場垂直于紙面向里和勻強電場方向豎直向上或磁場垂直紙面向外和勻強電場方向豎直向上．電場力與重力大小相等,方向相反．磁場的大小沒有確定的值．

課件展示: 教師播放課件,動態展示帶電粒子在電場與磁場及重力場3個場疊加區域的周期性的運動(如圖7).

圖7

點評： 通過本思考題的設計,使得學生從命題者的角度來思考疊加場的設計．一方面培養了學生的發散性思維與創新思維．另一方面使學生對帶電粒子在疊加場中做勻速圓周運動受力特點有了清晰的理解．就是重力與電場力相互平衡,帶電粒子相當于只受到洛倫茲力的作用,從而做勻速圓周運動．最后通過課件的展示使學生獲得帶電粒子做周期性運動的感性認識．

思考： 上面我們一起研究了帶電粒子在疊加場中做勻速圓周運動條件,如果上述的電場撤除,增加一些條件,能否使帶電粒子做圓周運動呢?

學生討論： 可以在帶電粒子的下方放一個圓形凹槽,小球沿凹槽切線進入就可以使帶電粒子做圓周運動．

教師點評： 同學們的想法非常好,當帶電粒子受到凹槽約束后就能沿圓周運動,但是同學們同時也要考慮小球能否一定沿圓形凹槽運動呢?現在我們先考慮小球沿凹槽做圓周運動的實例(例2)．

圖8

例2.如圖8所示,半圓形的光滑固定凹槽的半徑為R,放置在一個垂直于紙面向里的勻強磁場中,磁場的磁感應強度為B,一個質量為m,帶電量為+q的小球從凹槽的左邊邊緣由靜止開始釋放．(小球沿凹槽內壁運動)

(1) 求小球運動到凹槽底部的速度;

(2) 求小球運動至最低點時對凹槽的壓力的大小.

學生討論與板演： (1) 由動能定理

(1)

解得

(2)

(2) 在最低點:

(3)

把式(2)代入得

(4)

由牛頓第三定律可得小球對凹槽的壓力大小

教師展示課件： 教師展示帶電粒子在凹槽中來回運動的動態情境．同時動態顯示重力,洛倫茲力和速度3個物理量．如圖9所示．[圖(a)小球的運動是從左邊向右邊運動,圖中的矢量表示洛倫茲力,圖(b)小球的運動是從右邊向左邊運動,圖中的矢量表示洛倫茲力]

圖9

學生恍然大悟： 原來在帶電粒子返回的過程中由于帶電粒子的運動方向變化了,帶來了洛倫茲力的方向也變化了,因此對凹槽的壓力也將發生變化．

因此當帶電粒子從右向左經過最低點時

(5)

把(2)式代入(5)可得到

由牛頓第三定律可得

點評： 本題主要是考察學生理解洛倫茲力不做功．掌握利用動能定理和向心力公式解決圓周運動問題的方法．同時考察帶電粒子在疊加場中運動的多解性問題．當教師通過課件展示帶電粒子在來回運動過程中洛倫茲力方向的變化時,教室中出現了一片驚嘆之聲,學生們都恍然大悟．教師的課件用得恰到好處,達到了此地無聲勝有聲的效果．

2.4 帶電粒子在疊加場中做擺線運動

思考： 如果讓帶電粒子由靜止釋放而沒有圓形凹槽來承接,那么它的軌跡將是怎樣的呢?

教師展示課件： 教師展示帶電粒子由靜止釋放在重力場與磁場的共同作用做擺線運動(見圖10).

圖10

圖11

變式.(2008年江蘇高考)在場強為B的水平勻強磁場中,一質量為m、帶正電q的小球在O點由靜止釋放,小球的運動曲線如圖11所示.已知此曲線在最低點的曲率半徑為該點到x軸距離的2倍,重力加速度為g.求:

(1) 小球運動到任意位置P(x,y)的速率v.

(2) 小球在運動過程中第一次下降的最大距離ym.

學生討論與展示解題過程：

解析：(1)由動能定理

(1)

解得

(2)

(2) 由動能定理

(3)

在最低點

(4)

由r=2ym.

(5)

由(3)-(5)式解得

2.5 提出問題,引發思考

思考： (1) 如果上題中曲率半徑為該點到x軸距離的2倍這一條件缺失,能否求小球下降的最大距離ym.

教師展示課件： 教師出示幾何畫板的課件,操作1:質點向右做勻速直線運動．操作2:質點做逆時針的勻速圓周運動．操作3:質點同時做向右的勻速直線運動和逆時針的勻速圓周運動，見圖12.

圖12

教師： 我們可以看到勻速直線運動與勻速圓周運動的合運動(數學稱之為擺線)與我們剛才帶電粒子在重力場與磁場的疊加場中的運動軌跡非常的相似．那剛才帶電粒子的運動能否看作是這兩種運動的合運動呢?這個留給學生們課后思考．

點評： 本題是江蘇省的高考題,主要考察的動能定理,向心力公式相關知識．教師通過課件展示帶電粒子在疊加場中做擺線運動,使學生對帶電粒子在重力場與磁場的疊加場的運動軌跡有了感性認識．又通過幾何畫板課件的展示啟發學生擺線運動可以看作勻速直線運動與勻速圓周運動的合運動．加強了學生思維的深度與廣度．

教學反思： 高三的復習課的作用是鞏固學生所學的物理概念和物理規律．由于在新課時物理概念與物理規律已經學過,學生往往自我感覺良好．如果課堂教學只是采用“教師講,學生聽”較為單一的教學手段,則課堂氣氛勢必枯燥乏味,教學效果達不到預期的效果．本節課的主題是帶電粒子在疊加場中的運動．教學目標使學生深刻理解洛倫茲力的特點:洛倫茲力大小與速度大小成正比,方向總是與速度的方向垂直,洛倫茲力永不做功．對于帶電粒子作曲線運動的常用解決的方案是動能定理與向心力公式的結合等．由于帶電粒子在疊加場中的運動軌跡不易做實物實驗來展示,而學生又缺乏相應的感性認識,特別是洛倫茲力與速度之間聯動的變化關系很難理解．從而易認為粒子在疊加場中做勻變速曲線運動．對于多解性問題會造成漏解現象．為了解決上述問題,筆者為每一個例題制作了相應的課件,從課堂的實施來效果來看起到了相當好的輔助效果．學生對帶電粒子在疊加場中受力特點與運動軌跡之間的關系有了更深刻的理解．同時也掌握了利用動能定理,向心力公式解決相應的疊加場問題．學生的科學思維得到了極大的鍛煉．從而提升了學生的物理核心素養．仿真課件的恰當運用使得抽象問題形象化,極大地激發了學生的學習興趣,課堂氣氛熱烈,學生參與度高,學生的思維投入度高．所以筆者認為對于高三物理的復習課,如果對于帶電粒子在電磁場中這類不易做實物實驗的復習課,仿真物理實驗可以起到很好的輔助效果,這可能是構建高三物理生態課堂的有效策略之一．