第五章 抛体运动 学习过程

第五章《抛体运动》学习过程
　　一、本单元学习进阶设计
　　二、学习过程设计说明
　　1.L1层级：掌握曲线运动的条件
　　例举生活中常见的曲线运动，使学生能从轨迹的角度构建曲线运动的概念，拓展对运动多样性的认识，并对机械运动进行分类。通过实验探究和科学推理相结合的方式，学生自主发现曲线运动速度方向是沿着轨迹的切线方向，并进一步推理出曲线运动是变速运动，增强学生实验探究的意识并发展学生对极限思想的理解。学生通过牛顿定律的学习，已经知道力是改变物体运动状态的原因，组织学生根据教师提供的实验器材自主探究曲线运动的条件并得出结论，让学生的实验观察能力和科学推理能力得到提升，发展对力和运动关系的认识。
　　【活动设计案例】
　　①观察曲线运动的速度方向
　　如右图所示，水平桌面上几段稍短弧形轨道组合在一起，在桌面和轨道之间放一张白纸。
　　使蘸着红色印泥的钢球以一定的速度由轨道的C端进入，从不同位置离开管道，寻找白纸上的红色印记与轨道 (曲线)的关系，进而得到“曲线运动的速度方向沿曲线在该点的切线方向”的结论。
　　【活动设计案例】
　　②观察钢球的运动轨迹
　　如右图所示，先让学生观察钢球从倾斜轨道上滚落到水平桌面后的运动轨迹（应为直线）。然后组织学生利用条形磁体，尝试让钢球在桌面上的运动轨迹变为曲线，进而分析钢球受到的吸引力方向和速度方向，得出曲线运动的条件。
　　2.L2层级：掌握运动的合成与分解方法
　　创设研究蜡块运动的问题情境，让学生了解什么是合运动，什么是分运动。引导学生从三个角度观察蜡块的运动，一是蜡块相对于黑板的运动，二是蜡块沿着玻璃管向上的运动，三是蜡块随玻璃管的水平移动，让学生感受蜡块同时参与了竖直和水平方向的两个直线运动，这两个直线运动合成了蜡块的合运动，从而理解合运动与两个分运动共同产生的效果具有等效性。组织学生自主推导蜡块运动的合速度与合位移的关系式，感受运动的合成与分解同力的合成和分解一样，都遵循矢量的平行四边形定则，并根据分运动的特点推理出合运动的特点，提升学生科学推理的能力，掌握研究平面运动的一般方法。
　　【活动设计案例】
　　研究蜡块的运动
　　如右图所示，将玻璃管紧贴黑板竖直倒置，在蜡块A沿着玻璃管匀速上升的同时，水平匀速移动玻璃管，让学生观察蜡块的运动。引导学生建立平面直角坐标系，利用平行四边形定则推导蜡块的合速度与合位移的关系式，根据分运动特点推理合运动的特点。
　　3.L3层级：理解平抛运动模型的特点
　　组织学生研讨并确定探究平抛运动特点的实验思路，先探究竖直分运动的特点，再探究水平分运动的特点，通过师生交流共同确定实验方案，即：根据同一高度自由下落的物体与平抛运动的物体落地时间相同，可得出平抛运动竖直分运动是自由落体运动；再根据相等时间间隔内，物体在水平方向发生的位移大小相等，可得出水平分运动是匀速直线运动。教学中可以使用频闪摄影法获取平抛运动的轨迹，再组织学生进行理论分析和科学推理，从而提升学生运用信息技术手段分析物理问题的能力。学生通过实验探究平抛运动的特点，可以巩固对等效替代法的理解，提升运用平行四边形定则的能力，获取信息、分析信息、科学推理能力、合作交流能力都能得到有效发展。
　　【活动设计案例】
　　在右图①所示的实验装置中，用锤子击打弹簧片后，A、B两球同时开始运动，A做平抛运动，B做自由落体运动。学生听到A、B两个小球同时落地，可知平抛运动竖直方向运动规律与自由落体运动相同。利用右图②的实验装置，根据自由落体运动规律，从起抛点开始沿着竖直方向，确定小球在抛出后，间隔相等的时间间隔T应该到达的位置。再让小球多次从轨道同一位置释放，确定其间隔相同时间的水平位置，根据相等时间内的水平间距相等可确定平抛运动水平分运动为匀速直线运动。
　　4.L4层级：加深对平抛运动模型特点的认识
　　从具体事例出发创设问题情境，引导学生将蜡块运动的研究方法迁移到平抛运动的定量研究中，学生自主探究合速度大小、方向，位移的关系式以及轨迹方程，得出平抛运动轨迹为抛物线的结论，加深对平抛运动水平和竖直方向分运动特点的理解，提高综合运用所学知识解决问题的能力。教学中，教师要让学生在同一图中标出速度和位移与水平方向的夹角，理解二者的不同。
　　【活动设计案例】
　　研究空投炸弹的运动
　　通过情境创设，调动学生理论推导平抛运动速度、位移及轨迹方程的兴趣。
　　在军事行动中，陆军会使用机关炮拦截飞机投放的炸弹。假设炸弹被投放后的运动是平抛运动，已知飞机投放炸弹时的飞行速度是v0，炸弹被投放后经过时间t被拦截，重力加速度是g，让学生根据平抛运动水平和竖直分运动的特点，推导炸弹被拦截时的速度和拦截位置。事实上，只要掌握了炸弹运动轨迹的特点，机关炮在炸弹落地之前就有机会将其击毁，组织学生推导炸弹的轨迹方程并分析其轨迹特点。
　　5.L5层级：应用平抛运动的规律解决实际问题
　　联系生活中的实际问题，如计算运动员跳台滑雪的飞行时间、空投救灾物资的水平距离等，培养学生应用平抛运动规律的能力，让学生能够熟练将问题情境中的研究对象和过程转换成平抛运动模型。对于斜抛运动，可将平抛运动的研究方法进行迁移应用。本层级设计提升学生应用物理规律解决问题能力，深化对运动的合成与分解方法的理解，提升将实际问题转化为物理模型分析处理的能力。
　　【活动设计案例】
　　跳台滑雪问题的研究
　　北京2022年冬奥会的国家跳台滑雪中心是我国首座跳台滑雪场地，它也是张家口赛区冬奥会场馆群建设中工程量最大、技术难度最高的竞赛场馆。国家跳台滑雪中心主要由顶峰俱乐部、竞赛区及看台组成，它的主体建筑灵感来自于中国传统饰物“如意”，因此被形象地称作“雪如意”，如图所示。届时，运动员使用专用滑雪板，不带雪仗在助滑路上获得高速后飞离A点，在空中飞行一段距离后着陆，极为壮观。假设一位运动员由A点沿水平方向做平抛运动，到B点着陆时，测得AB间距离为L，山坡倾角为θ＝30°。试计算运动员起跳的速度和他在空中飞行的时间t。
　　学生将滑雪运动员的实际位移L进行分解，可以得到水平分位移大小为，竖直分位移大小为。根据平抛运动竖直方向的运动特点为自由落体运动，可求出运动员下落时间t，再利用水平方向的运动特点是匀速直线运动，利用，可求出运动员离开A点时的速度 。