高三物理复习教学中核心素养的培养——以“平抛运动实验”教学为例

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高三物理复习教学中核心素养的培养——以“平抛运动实验”教学为例

在新课程改革的背景下,从三维目标的建立走向学生核心素养的培养是课堂转型的关键,高中物理核心素养由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度和责任”四方面组成。但是,高三学生由于面临高考升学的压力 ,学生的关注点主要落在解题能力的提升上,而教师在实际的复习课教学中,也是以教授解题方法为主,忽略了对学生物理核心素养的培养。

在一次物理复习课上,由于《研究平抛运动》这一实验知识点没有列入考试大纲考察范围,笔者在课堂教学中并未对该节内容展开复习,对实验中提到的“液柱径迹法”更是简要说明,一带而过。课后,有学生提出疑问:平抛运动的轨迹和初速度大小有关,在利用“液柱径迹法”研究平抛运动实验中,由于液体(水柱)是连续流出的,怎样保证液体(水柱)在流出时初速度始终相同?这位学生的问题让笔者在惊叹他思维活跃的同时,也引起了笔者的思考:这是一次培养学生核心素养的机会。于是在解答了学生的提问后,笔者课后又精心准备,并利用一节课的时间进一步拓展解决这个问题。

一、理论分析——培养科学思维

引导的第一步就是理论分析,为了使该问题符合高中生的思维能力,笔者建立了一系列的理想模型,且所有理想模型周围的大气压强为一个标准大气压,环境温度保持不变。然后笔者设计了以下问题来层层推进。

问题1、液体(水柱)从管口流出的速度和哪些因素有关?

模型一:如图1为上端开口,盛有水的容器,水深为h ,在容器底部开一个面积为Δs 的小孔。请同学计算液体(水)从小孔流出时的速度。

微元法处理,在小孔附近取一段长为L ∆,横截面为S ∆的水柱元,分析:

质量:)(s l V m ∆⋅∆==∆ρρ

所受合力:s gh s P P gh F ∆⋅=∆⋅-+=ρρ])[(0

0 合力做功:22

1mv L F =∆⋅ 解得:gh v 2=

由此可知,水柱从小孔中流出的速度和液面距小孔的高度有关,在此模型中,水柱从小孔中流出的速度随液面下降的高度而不断减小。

问题2:若容器上端密封,液体(水柱)从管口流出的速度和哪些因素有关?

模型二:如图2,若容器上端封闭,且液体(水)盛满整个容器,欲使液体(水)能够从底端小孔流出,水柱高度要满足的条件:0P gh ≥ρ 在一个标准大气压下,解得m h 10≈。这一高度过高,在实际实验操作中

存在一定困难,最好让液体(水柱)没有盛满整个容器,液面上方存在空气,图1 0P P h + 0P

使得液体上下两面都存在气体压强。

模型三:若容器上端密封,但液体(水柱)没有盛满整个容器,在液面上方存在空气,如图3所示。设容器内水柱高为,水面上方封闭气体长度为2h ,容器横截面积为s ,

封闭气体为理想气体,容器导热。

当容器内水柱下降h ∆时:

理想气体等温变化:S h h P S h P ⋅∆+=⋅)()(2120 解得0221P h

h h P ∆+= 微元法处理,在小孔附近取一段长为L ∆,横截面为S ∆

的水柱元,对其分析: 质量:)(s l V m ∆⋅∆==∆ρρ 所受合力:s P h h h h h g s P P h h g F ∆⋅∆+∆-

∆-=∆⋅-+∆-=])([}])({[021011ρρ 合力做功:221mv L F =

∆⋅ 解得:])()([2201ρ

h h P h h h g v ∆+⋅∆-∆-= 由此可知,在此模型中,水柱从小孔中流出的速度随液面高度的下降而不断减小。 综上,如果以上述两个模型来研究平抛运动实验,液体(水柱)从容器中流出的速度会不断减小,实验将会失败。

问题2、课本中容器口为什么要插入两根细管?

模型四:若容器两端密封,开口向下倒置,液体(水柱)没有盛满整个容器,在液面上方存在空气,如图4所示。设两根细管管口位置分别为Q 点和P 点,高度差为h 。

细管口Q 点取液面分析,由于细管和外界大气连通:气液P P P +=0,可知,

当液体压强和气体压强随液面高度变化时,Q 点压强保持不变。

微元法处理,在小孔附近取一段长为L ∆,横截面为S ∆的水柱元,分析:

质量:)(s l V m ∆⋅∆==∆ρρ

所受合力:s gh s P P gh F Q ∆⋅=∆⋅-+=ρρ])[(0

合力做功:22

1mv L F =

∆⋅ 解得:gh v 2=

由此,从细管P 处流出的液体(水柱)仅和两个细管管口PQ 的高度差有关,只要液体在下落时还未下降到细管口Q 点,液体从小孔P 处流出的速度将保持不变。

二、实验探究——培养科学探究

理论分析解决了实验原理,第二步就要进行实际的实验,并通过实际实验来论证理论的图2

图3 图4 0P P h '+0P 0P P h + 0P

正确与否,由于课堂时间短,笔者采取的是教师演示实验,但是教师在演示之前,师生之间交流讨论,探究总结了以下注意事项:

1、细管的横截面积不能过粗,因为液柱流出小孔P 的速度恒定,若细管的横截面积较大,相同时间内流出的液体(水柱)体积较大,而容器中液体总体积为定值,导致时间短,不便于观察平抛运动的轨迹。

2、建立以细管口为原点,水平方向为X 轴,竖直方向为Y 轴的坐标轴。为了使液柱流出后的轨迹能够落在整个坐标纸上,实验前,规定液柱能通过坐标轴上的(10cm,20cm)点。

vt x gt y ==,22

1 解得s m v /0.5= gh v 2=, 解得cm h 52.=

因此,实验时两个细管管口的高度差应为2.5cm 左右。另外,这些实验注意事项的得出由笔者设疑,学生思考得出,目的在于培养学生科学探究能力。

三、误差分析——培养科学责任

通过以上分析,学生对该实验的实验原理,实验操作步骤已经了然于胸,但是以上所有的分析全部是基于理想模型得出的结论,在实际的操作中一定存在误差,对误差的分析时引导的第三步,这一问题笔者留给学生课下查阅资料进一步研究,课堂上只是给出研究的方向:

1、实际环境中的大气压强并非一个标准大气压。

2、实际环境中的温度不能保持不变。

3、容器中液体流动也可能会带来误差。

4、其他。

四、归纳总结——形成物理观念

在课堂结束前,笔者向学生归纳了本节课所用的知识点,1、平抛运动基本规律,2、液体压强公式,3、理想气体中的等温变化,4、动能定理,5、实验基本操作。这些知识点全部属于考试大纲所考察的知识点,通过对本实验的总结,使得学生在头脑中对这些物理知识进行提炼和升华,发展了学生分析、解决问题的能力。

五、我的一点反思

经过以上过程,笔者感受到物理核心素养是物理学科和教育的有机结合,是物理学科教育在高度、深度和内涵上的提升,本节课的课题虽然并不是考试大纲中列出考察内容,但是要想解决该问题,所用的知识点在高考考察范围之内,而且必须把这些知识点有机的融合起来,综合分析才能解决该实验。这一点正是现在大部分高三学生所欠缺的,却是物理核心素养所要求的能力。笔者在以往的高三复习教学中,为了应对高考,往往采取先复习知识点,再讲解习题这种“灌输式”教学,长期使用教学模式容易让学生产生疲惫感,加上物理学科相对于其他学科难度上相对较难,学生对物理的学习会产生畏惧心理,学生变得只会解题,而很少去探究物理本质,对物理核心素养的培养更是无从谈起;从教学效果上来看,本节课达到的复习效果比“灌输式”教学达到的效果要强,学生的课堂参与度更高,而且学生要想解决笔者设置的疑问,他们就必须要将他们整个高中热力学知识有机地结合起来,这样复习知识点更加的系统全面。因此,我认为高三复习时切不可忽略对学生物理核心素养的培养,让学生融入物理,才能让复习变得更加高效。

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