段祝霞

摘 要：五版本教材圓周運動的編排都重視與生活的緊密聯(lián)系，重視學生的學習體驗，重視探究。但各版本在編排順序、實驗方案、從特殊到一般、圓周運動與人類文明等方面有一定差異。找出各版本的異同，綜合各版本的優(yōu)點，結(jié)合學生實際，對教材再開發(fā)，有利于教學重、難點的突破。

關(guān)鍵詞：圓周運動；向心力；實驗；探究；體驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）3-0042-3

圓周運動是高中物理重要的物理模型，是物理教學的重點，其中，向心力與向心加速度部分是教學的重難點。找出五版本物理教材在圓周運動的處理上的異同，根據(jù)學生實際，整合各版本的素材，進行教學資源的二次開發(fā)，設(shè)計自己的教學思路，對重、難點的突破能起到有益幫助。

1 編排位置比較

五版本都把圓周運動編排在必修2中。魯科版[1]先安排了功與能部分的學習，然后是拋體運動，接著在第4章才是圓周運動的內(nèi)容?；浗贪鎇2]、教科版[3]、滬科版[4]三個版本都是在第一章學習拋體運動后，第二章安排了圓周運動的內(nèi)容，單獨成章。人教版順序和粵教、教科、滬科一樣，但是把圓周運動和平拋等編排在《曲線運動》一章中[5]。

五版本最大的差異是魯科版把圓周運動放在功、能之后，這樣編排的好處是：第一，學生在學習圓周運動時，增加了從功能關(guān)系的視角來分析圓周運動問題，而不是單一從力與運動的視角，這會讓學生對圓周運動的認識更深刻；第二，必修1中學生在第四章剛學習了力與運動的關(guān)系，學習了力的瞬時作用效果是產(chǎn)生加速度，改變運動狀態(tài)，在必修2中學習功、能，學習力在空間上的積累，從認識事物規(guī)律的視角看，和必修1很好銜接。不足是：第一，功、能部分的內(nèi)容較難，從教學實踐來看，學生的掌握情況要差于曲線運動部分；第二，魯科版的安排使得在功、能的學習中不能涉及到曲線運動，使得功、能的“適用范圍”在初學階段只局限于直線運動，這樣可能會導致部分學生認為功、能部分中的定律、公式只適用于直線運動，一旦產(chǎn)生這樣的錯誤認知將很難糾正；第三，在學生沒有學過曲線運動就學習功、能會導致功、能部分的定律推導受到局限。如，探究重力做功的特點，需要比較“物體沿斜面滾下、豎直向下、沿曲面向下3個不同的路徑下落相同高度，重力做功一樣”后得出結(jié)論，缺少曲線路徑得出的結(jié)論會大打折扣。

2 向心力與向心加速度的編排思路

2.1 兩種編排思路

向心力與向心加速度是重點、難點，五版本教材在編排上可以分為兩種思路。思路一，先推導出向心加速度的公式，由牛頓第二定律得出向心力大小的表達式，再由實驗來驗證向心力大小的公式，這一思路是“從結(jié)果追溯原因”。人教版、滬科版采用這一編排思路。思路二，先由實驗得出向心力大小的表達式，再由牛頓第二定律得出向心加速度的公式，這一思路是“從原因推導結(jié)果”?；浗贪?、魯科版、教科版采用的是思路二。

2.2 兩種編排思路的對比

兩種思路中，對學生的要求有所不同。思路一，推導向心加速度數(shù)學表達式是難點，對學生的數(shù)學知識，運用數(shù)學知識解決物理問題的能力要求較高。思路二，在實驗探究之前要求學生先體驗、猜想向心力的大小與哪些因素有關(guān)，然后采用精確的實驗探究才能得出，這對學生在猜想和實驗探究環(huán)節(jié)的要求較高。兩種思路中，思路一側(cè)重理論探究，思路二側(cè)重實驗探究。

兩種思路對學生要求的側(cè)重點不同，教學中應(yīng)該根據(jù)學生的情況設(shè)計教學。建議：采用實驗探究得出向心力大小的表達式之后再由牛頓第二定律得到向心加速度的表達式。把物理課堂的重心放在實驗探究上，讓學生學習過程留下更多探究的痕跡。數(shù)理推導過多，枯燥、繁雜的推理會讓學生失去興趣和信心。數(shù)理基礎(chǔ)較好、有興趣的學生可以引導他們課后推導向心力的表達式。

3 五版本實驗方案比較

五版本在探究向心力大小時都分定性體驗及定量探究（或驗證）兩個環(huán)節(jié)，都給出了體驗及探究向心力大小表達式兩個實驗方案。但實驗器材、方案的選取各有特色，各有優(yōu)勢。不同的實驗器材，不同的實驗方案，決定了探究效果的不同和學習體驗的差異。

3.1 定性體驗向心力與哪些因素有關(guān)

五版本體驗向心力大小的實驗如圖1至圖5所示。各版本實驗的共同點是取材簡單、操作容易，學生實驗后都可以獲得較好的體驗，但也有差別。

差別1：粵教版、教科版是讓小球在光滑水平桌面上做勻速圓周運動，人教版、魯科版、滬科版中小球（小物體）在空中水平面上運動，由于小球（小物體）受到重力和細線拉力的作用做圓周擺運動?；浗贪妗⒔炭瓢嬷屑毦€的拉力提供向心力，而人教版、魯科版、滬科版中重力和細線的拉力提供向心力。

差別2：人教版、粵教版、教科版、滬科版是直接通過手拉感受細線的拉力，從而體驗向心力，而魯科版是通過細線的另一端栓的金屬螺母的狀態(tài)來“感受”向心力的變化。前者的體驗更直接，效果更明顯。

差別3：實驗操作要求有區(qū)別。人教版要求手握繩結(jié)A、B讓小球每秒轉(zhuǎn)1圈，手握繩結(jié)B每秒轉(zhuǎn)兩周，感受向心力的大小。這實現(xiàn)了在質(zhì)量、角速度相同的情況下改變半徑，以及在半徑、質(zhì)量相同的情況下改變線速度，從而感受向心力的變化，但缺少在半徑、角速度（或線速度）相同的情況下改變質(zhì)量的比較，不夠全面?；浗贪娴膶嶒灴梢砸鱿蛐牧Φ母拍?、方向，以及向心加速度的大小與線速度大小的關(guān)系，但沒有體現(xiàn)控制變量法，不能體驗到向心力的大小與質(zhì)量、角速度、半徑等因素有關(guān)。教科版要求體驗“拉力的方向怎樣？減小旋轉(zhuǎn)的速度，拉力怎樣變化？增大旋轉(zhuǎn)半徑，拉力怎樣變化？松手后，物體還能維持圓周運動嗎？換一個質(zhì)量較大的鐵球進行實驗，拉力怎樣變化？”通過這些操作學生可以體驗到向心力的方向、效果，也能明確向心加速度的大小與哪些因素有關(guān)，為后面定量探究奠定基礎(chǔ)。魯科版要求“依次改變輕小物體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動的角速度、轉(zhuǎn)動的半徑”，觀察螺母的運動狀態(tài)，感受向心力。滬科版，“改變小球轉(zhuǎn)動的快慢或線的長度或球的質(zhì)量，感受向心力的變化跟哪些因素有關(guān)?！苯炭瓢?、魯科版、滬科版都體現(xiàn)了控制變量法，思路清晰，學生獲得的體驗會更豐富。

3.2 定量探究向心力大小

五個版定量探究向心力大小的實驗裝置如圖6到圖10所示。

人教版、粵教版的實驗裝置簡易，取材容易，實驗成本低。教科版、魯科版、滬科版的向心力演示儀，是實驗室裝備器材。

人教版是在學生已經(jīng)學習向心力大小表達式之后通過該實驗驗證表達式。人教版雖實驗成本低，但操作困難，計算復雜。小球沿紙面上某個圓周運動，受空氣阻尼，其運動的快慢、半徑都會逐漸變化，所測周期或線速度不準。測量合力mgtanθ比較麻煩。

粵教版操作難度更大，實踐中學生成功概率較小，且該實驗不能很好地實現(xiàn)定量探究，還只是停留定性探究的層面。

教科版、魯科版所用實驗裝置都能實現(xiàn)有限的定量探究，探究時只能讓變量成倍數(shù)關(guān)系。小球質(zhì)量、半徑相同，角速度不同，得到：F正比ω2；小球質(zhì)量、角速度相同，半徑不同，得到：F正比R；小球半徑、角速度相同，質(zhì)量不同，得到：F正比m，綜合后得到向心力的公式。

滬科版則能實現(xiàn)充分的定量探究。實驗中半徑、向心力大小可以從顯示窗讀出，轉(zhuǎn)速可以通過時間t內(nèi)轉(zhuǎn)速指示燈閃爍次數(shù)算出。轉(zhuǎn)速、質(zhì)量、半徑大小都可以調(diào)節(jié)，探究數(shù)據(jù)更具有一般性，更具說服力。

教學中，建議先讓學生通過定性實驗探究體驗向心力的方向、作用效果、大小與哪些因素有關(guān)，為后續(xù)定量探究指明方向，可借鑒教科版的定性探究方案。沒有實驗為基礎(chǔ)，要讓學生直接猜想向心力大小與哪些因素有關(guān)，有一定難度。在定量探究實驗中，建議采用滬科版的實驗器材和方案。

4 從特殊到一般

4.1 從勻速圓周運動到圓周運動

在探究勻速圓周運動的向心力的大小后，粵教版、教科版、魯科版明確指出：對非勻速圓周運動，利用公式求質(zhì)點圓周上某時刻的向心力和向心加速度的大小，必須用該點瞬時速度的值。人教版通過實例分析了變速圓周運動，并把力分解在切線方向和指向圓心方向，提出了向心加速和切向加速的概念。

4.2 從圓周運動到曲線運動

從圓周運動到一般的曲線運動，人教版、教科版都做了相應(yīng)介紹。人教版是在正文部分，教科版是在課后拓展欄目《課外閱讀》介紹處理一般曲線運動的方法：把物體沿任一曲線的運動看成是物體沿一系列不同半徑的小段圓弧的運動，如圖11、圖12所示。學生在處理一般曲線運動瞬時速度的方向時，不知道該怎么畫切線方向，把圓周運動推廣到一般曲線運動之后，學生的困惑得到解決，且體會了人類認識事物從簡單到復雜，從特殊到一般的方法。

5 圓周運動與人類文明

粵教版介紹了《天工開物》中記載的牛力齒輪翻車和漢代古墓壁畫上的古老紡車。教科版編排《圓周運動與人類文明》一節(jié)的選學內(nèi)容，分別介紹了圓周運動與古代文明——鉆木取火、陶器制作、車輪發(fā)明、機械能的利用（水磨、水碓、水碾、水車），圓周運動與工業(yè)技術(shù)，圓周運動與科學實驗，圓周運動與文化生活等。

建議整合各版本素材，適當補充一些從古代到現(xiàn)代的與圓周運動有關(guān)的人類文明，豐富學生的知識，拓展學生的視野，讓學生體驗到物理知識與生活的緊密聯(lián)系和歷史厚重感，激發(fā)學生學習物理的濃厚興趣。若能以此為題開展研究性學習則更能增強學生的體驗。

參考文獻：

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[2]保宗悌.普通高中課程標準實驗教科書物理必修2[M].廣州：廣東教育出版社，2005：28—39.

[3]陳熙謀，吳祖仁.普通高中課程標準實驗教科書物理2[M].北京：教育科學出版社，2005：20—40.

[4]束炳如，何潤東.普通高中課程標準實驗教科書物理2[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2011：22—39.

[5]張大昌.普通高中課程標準實驗教科書物理2[M].北京：人民教育出版社，2011：13—27.

（欄目編輯 羅琬華）