1.4研究平抛运动的规律 教学设计 高一下学期物理教科版（2019）必修第二册

4．研究平抛运动的规律
【教材分析】
1．体系结构。
《研究平抛运动的规律》为高中物理必修二册《第一章 抛物运动》的第4节。
教材首先通过实验探究得到平抛运动的规律，再从理论上进行分析论述，使学生再次加深对平抛运动规律的理解，最后提出一些生活中的平抛运动问题让学生自主解决。
2．地位作用。
本节课是在学习了运动的合成与分解、平抛运动等内容的基础上进行的，既是牛顿运动定律第一次在曲线运动中的具体应用，也是运动的合成与分解的延续和应用，还是后面“斜抛运动”“带电粒子在电场、磁场组合场、复合场、等效重力场中的偏转运动”的基础，所以，本节内容在本章乃至在整个高中动力学部分都起到一个承上启下的作用。
3．知识背景。
平抛运动作为高中阶段研究的两种典型曲线运动中的一种，它是学生第一次用所学过的直线运动的知识来处理曲线运动的问题，体会分析解决曲线运动问题的方法——运动的合成与分解。教学中应让学生主动尝试经历应用这种方法来探究平抛运动规律的学习过程，体验知识发生的过程，激发学生探究未知问题的乐趣，领悟怎样将复杂的问题转化为简单的问题，将未知问题转化为已知问题，将曲线运动的问题转化为直线运动的问题。让学生真正理解运动的合成与分解这种思想方法的意义，理解为什么平抛运动可以分解成水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动。
【学情分析】
1．认知层面。
学生前面已经学习了合运动、分运动以及运动的合成与分解所遵循的规律，并且认识了平抛运动，但不清楚平抛运动的运动规律，这为本节课奠定了基础。
2．能力层面。
学生已经具备了处理直线运动的能力，拥有一定的科学探究能力和分析问题能力，但本节的平抛运动却是典型的曲线运动。学生对于平抛运动有强烈的好奇心和探索欲，在实验探究和理论分析得到平抛运动的规律的过程中，学生的动手操作能力和理论分析能力得到发展，进一步培养了学生的科学探究能力，使之能够独立解决一些物理问题。
3．思维层面。
学生才接触了运动的合成与分解，并不能熟练地运用，因此遇到曲线运动时可能还是将其整体看待。因此，而教师需要在本节内容的学习上加以引导，让学生打破固有思维，体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想。
4．态度与责任层面。
经过前面的学习，学生已经具有一定的科学探究精神和合作意识，但是对于实验探究还不能做到完全严谨、实事求是，仍需进一步地培养。
【课标解读】
1．课标要求。
通过实验，探究并认识平抛运动的规律；
会用运动合成与分解的方法分析平抛运动；
体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想；
能分析生产生活中的平抛运动。
2．课标解读。
本条目明确提出要通过实验探究平抛运动的规律，重点是学会用运动合成与分解的方法分析平抛运动，体会其中蕴含的化繁为简的物理思想。要求学生能理论联系实际分析日常生活中的抛体运动，例如飞机投放救灾物资等，并能在将来的学习中与静电场知识相联系，将平抛运动的规律迁移应用到分析垂直于电场强度方向进入匀强电场中的带电粒子的受力情况及运动轨迹。
【教学目标】
核心素养 素养表现 素养内涵 教学目标
物理观念 物质观念 知道自然界物质的基本结构和存在形式
运动与相互作用观念 初步形成运动与相互作用观，并能用它对自然图景进行描述 理解平抛运动可以看成水平方向的匀速直线运动与竖直方向的自由落体运动的合运动，并且这两个运动互不影响
能量观念 形成经典的能量观，并用它解释自然现象
科学思维 模型建构 根据问题和情境，对客观事物进行抽象和概括，构建物理模型 能够根据平抛运动的特点，从生活实例中抽象出平抛运动模型
科学推理 具有规律意识，能进行科学推理，形成物理规律 学生通过观察演示实验，经历分析和推理后得到并解释平抛运动的规律
科学论证 具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力 知道分析一般平抛运动的方法，强化对运动的合成与分解的理解
质疑创新 具有批判性思维的意识，善于基于证据的大胆质疑
问题解决 根据物理规律，解释自然现象和解决实际问题 通过本节课的学习，体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想；能合理运用平抛运动的规律解决一些实际问题，如排球扣球问题
科学探究 问题 能在不同情境中提出可探究的问题，合理猜测和假设 通过观察套圈和投壶图片，提出如何提高投中率的问题，进一步提出如何研究平抛运动规律的问题，培养学生根据生活现象提出有意义的问题的能力
证据 能正确设计和实施物理探究，正确使用各种仪器和方法收集信息 通过教师的引导，能利用对比思想和控制变量法设计对照实验，认识实验器材并理解实验原理
解释 会对获取的信息进行处理，并能描述和总结实验探究的结果 通过对平抛运动频闪照片的分析过程以及对平抛运动轨迹的理论探究过程，培养学生的数据分析与处理能力；经历实验探究过程，发现规律，让学生认识到科学探究的意义
交流 具有合作与交流的意愿与能力，能准确表述、评估和反思探究过程与结果 在老师提问后，学生通过小组讨论相互交流，培养学生乐于与别人分享自己观点的精神
科学态度 与责任 科学本质 能正确认识科学的本质，认识到物理是人类有意识的探究过程 通过生活实例抽象出模型，提出有意义的问题并加以研究的这个完整过程，让学生认识到物理学习是人类有意识的探究过程；通过对平抛运动的实验探究和理论探究过程，让学生理解平抛运动的本质是匀变速曲线运动
科学态度 具有学习和研究物理的好奇心和求知欲，严谨认真、实事求是、持之以恒；善于基于证据和推理发表自己的见解，形成独立思考、敢于质疑、善于反思的创新精神 通过实验探究，并进行有效的理论联系实际，让学生由感性认识上升到理性认识，培养学生学习科学的兴趣及实事求是的科学态度，体验探索自然规律的艰辛与喜悦，培养学生主动与他人合作的精神；通过让学生发言，培养学生独立思考、敢于发表见解的精神
社会责任 理解科学、技术、社会和环境的关系，形成遵守道德规范、保护环境并推动可持续发展的责任感 通过展示自然、生活和生产中平抛运动的例子，使学生认识到平抛运动的普遍性，同时认识到物理知识的社会价值
【教学重点】
1．平抛运动的运动规律。
突出重点的方法：通过实验探究和理论推导得到平抛运动规律。学生经历整个科学探究过程，对于规律的得出和知识体系的建立将有较深的理解。
2．分析平抛运动的一般方法。
突出重点的方法：在教师的引导下对平抛运动进行理论探究得出相关结论，再利用这些知识解决生活中的实际问题，使学生形成系统的分析方法。
【教学难点】
平抛运动规律的探究过程。
突破难点的方法：在教师引导下，整个探究过程都要让学生参与进去，经历前人探究的过程。学生在课堂中既有感性的观察，又有理性的数据分析，不仅能亲身感受到物理探究的奥妙，还能深化对规律以及规律得出过程的理解。
【教法学法】
教法：启发引导教学与探究法相结合，并辅以问题法、演示法、归纳法等。
学法：观察法、讨论法、实验探究法。
【教具学具】
1．实验仪器：双轨型平抛运动实验仪、小球等。
2．多媒体：PPT、图片、视频资料等。
【课时安排】
1课时。
【教学思路】
本设计的内容包括四个方面：一是平抛运动模型的构建及问题的提出，二是利用已有知识基础进行合理猜想，三是通过科学的实验探究和理论探究得出平抛运动的规律，四是运用所得结论解决问题。
本设计的基本思路是：本节课将在学生上节课知识结构的基础上，通过生活实例构建平抛运动模型以探究平抛运动的规律以及处理方法，最后运用所学知识解决问题。本课将以探究为主线充分重视情景、问题、体验、合作、自主、交流，既有实验现象的观察，又有分析、推理过程。本课还要将实验现象与分析、推理结合起来，探究平抛运动在竖直方向和水平方向的运动的规律，既有学生的实验设计过程，又有教师的演示过程。实验手段上采用现代的数字化实验仪器，更为方便和精准。
【教学过程】
环节一 温故知新，引入课题
◆教师活动
利用PPT播放套圈、投壶游戏图片（如图所示），引导学生回顾上节课所学知识，然后提出问题：如何才能增加投中的可能？
图1 套圈游戏 图2 投壶游戏
◆学生活动
观看图片并思考：要增大投中率，就要知道平抛运动的运动规律是怎样的，如何得到规律？
★设计意图
通过对生活中常见现象的观察、思考，从而进行物理研究，培养学生发现问题和构建模型的能力。
环节二 科学分析，合理猜想
◆教师活动
提问：要想解决问题，需要进一步探究平抛运动，那如何进行探究呢？平抛运动是一种曲线运动，其速度大小和方向时刻发生改变，对这种比较复杂的运动，能否利用运动的分解，将它转化成我们所熟悉的、简单的运动呢？
PPT展示教科书中的“讨论交流”，并请学生仔细思考。
提出问题：如果将平抛运动视为水平方向的运动和竖直方向的运动的合运动，那么，平抛运动在水平方向和竖直方向应是什么运动？
◆学生活动
学生阅读并思考，分小组讨论、交流、总结，能在运动的合成与分解知识基础上科学猜想出平抛运动的竖直方向和水平方向分别为自由落体运动和匀速直线运动。
★设计意图
通过教科书中的“讨论交流”的逐步引导，让学生从理论方面思考平抛运动的规律，进行科学猜想，从而培养了学生的逻辑推理能力。
环节三 实验探究，得出规律
◆教师活动
引导学生在运动的分解知识基础上运用对比思想设计实验验证猜想，并提示：实验的关键是要解决两物体同时开始平抛运动和匀速直线运动。教师介绍如图3所示的双轨型平抛运动实验仪的使用和原理：将小球分别吸在两个完全相同的弧形轨道上的电磁铁A、B处，其中A、B到各自水平轨道处的竖直高度相同，然后切断电源，让两球同时由静止开始运动。
(
C
) (
O
A
) (
B
) (
A
A
)
图3 双轨型平抛运动实验仪
教师进行演示实验（或播放演示实验视频），并提示学生：注意观察两球在水平方向上的运动是否一致，是否在落点相撞（可通过听声音来判断）。
引导学生对实验现象进行分析，发现：做平抛运动和水平匀速直线运动的A、B两球在落点相撞，且在水平方向上的运动几乎完全相同。
◆学生活动
思考问题，观察实验，记录实验现象。
◆教师活动
提问：能否利用现有的实验器材设计实验，来验证对于平抛运动竖直方向上是自由落体运动的猜想？学生先分小组讨论，然后教师邀请学生阐述小组讨论的结果。
◆学生活动
思考问题，小组内交流，很容易想到：让两个小球同时开始运动，一个做平抛运动，一个做自由落体运动，看相同的时间内，竖直方向上的运动是否相同。如果相同则验证了前面的猜想。
◆教师活动
介绍实验仪器的使用和原理，进行演示实验（或者播放演示实验视频）：将小球分别吸在弧形轨道A处和右侧等高度C处的电磁铁上，然后断开电源。A球由静止开始运动，当A球运动至水平抛出点O点时触发C球电磁铁开关，C球开始自由下落。
图4
提示学生：注意观察两球在竖直方向上的运动是否一致，两球是否同时落地（可通过听声音来判断）。
引导学生对实验现象进行分析，发现：做平抛运动和自由落体运动的A、C两球同时落地，且在竖直方向上的运动几乎完全相同。
◆学生活动
思考问题，认真观察实验，记录实验现象。
◆教师活动
PPT播放图片（如图5所示），引导学生作出平抛运动的轨迹，然后以抛出点为原点，抛出时初速度方向为x轴正方向、竖直向下为y轴正方向建立平面直角坐标系（如图6所示）。引导学生进行数据分析（如表所示），发现：水平方向上相等时间间隔内的位移几乎相等，可以认为沿x轴方向的分运动是匀速运动；竖直方向上相等时间间隔内位移变化符合初速度为零的匀加速运动规律，且求得加速度a≈g，故可以认为沿y轴方向的分运动是自由落体运动。
图5 截取平抛运动的部分 图6 建立平面直角坐标系
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
x/m
y/m
◆学生活动
跟随教师一起处理、分析实验数据，归纳总结出规律，体会科学探究的乐趣。
★设计意图
经历实验探究的提出问题、合理猜想、设计实验、进行实验、处理分析数据、得出结论的一系列过程，使学生感受发现物理规律的乐趣，培养学生观察、思考、归纳、总结的能力和意识。
环节四 理论探究，加深理解
◆教师活动
提出问题：平抛运动只受重力作用，那么平抛运动的轨迹是什么曲线呢？我们能从理论上加以说明吗？提示学生：研究物体的运动，就是要知道物体任意时刻的位置和速度，知道物体运动的性质。
引导学生利用运动学知识，运用逻辑推理的方法，进行理论推导：
图7 理论分析
（1）建立直角坐标系，如图7所示，x轴表示水平方向的运动，y轴表示竖直方向的运动，则决定位移的运动方程是
①平抛运动的轨迹方程
这说明了平抛运动的轨迹是一条顶点在抛出点的抛物线，并且可知：当已知水平初速度时，即可给出轨迹；当已知轨迹时，即可求得初速度。
②位移的大小和方向
（2）决定速度的运动方程
速度的大小和方向
平抛运动的性质：具有水平初速度，只受重力作用的匀变速曲线运动。
◆学生活动
在老师的带领下，推导出平抛运动的相关结论。
★设计意图
在通过实验得出结论后，运用理论推导得出相关结论，强化学生对平抛运动规律的理解。
环节五 运用知识，解决问题
◆教师活动
讲解教科书的例题。
◆学生活动
思考并尝试用所学知识解决问题，举手回答问题。
★设计意图
让学生运用刚刚学抛运动的相关知识解决生活中的实际问题，既能加深学生对平抛运动的理解，帮助学生将知识系统化，又能培养学生运用所学知识解决实际问题的能力，同时让学生感受到物理与生活密不可分。
环节六 课堂小结，构建体系
◆教师活动
总结归纳本节课所学内容，引导学生回顾所学知识。
◆学生活动
跟随老师梳理本节课的内容，回顾知识。
★设计意图
总结本节课的新知识，使学生构建起新知识的体系。
环节七 思维拓展，发展能力
◆教师活动
布置作业：完成教科书“发展空间”中的题目。
◆学生活动
独立运用所学知识解决问题，形成解题方法。
★设计意图
拓展学生思维，训练学生解题能力。