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普通高中课程标准实验教科书物理 必修1教科版


普通高中课程标准实验教科书 《物理 必修1》(教科版) 教材分析与教学建议
陆有明

一、教材的结构

必修部分的结构
必修1
运动的描述→匀变速直线运动的规律


力与运动的关系

必修2
曲线运动 机械能和能源 万有引力定律

/>小结

经典力学的成就与局限性

必修1教材整体的章节结构
描述的对象 描述的确定性 描述的参量 描述的两种方法 匀变速直线运动 规律的描述 自由落体运动 的描述 匀变速直线运动 规律的应用 力的定义

第一章 运动的描述

第二章 力

力的种类 力的合成 力的分解

第三章 运动与力的关系
牛顿第一定律 牛顿第二定律 牛顿第三定律

第四章 共 点力的平衡

牛顿定律应用

第一章
第一单元:运动的描述
1.质点 参考系 空间与时间 2.位置变化的描述——位移 3.运动快慢与方向的描述 ——速度 4.速度变化快慢的描述 ——加速度

第二单元:匀变速直线运动 5.匀变速直线运动的速度与 时间的关系 6.匀变速直线运动的位移与 时间的关系 7.对自由落体运动的研究 8.匀变速直线运动规律的应 用

9.测定匀变速直线运动的加速度(学生实验)

二、教科版高中物理必修教材的 特点

必修教材的特点
? ? ? ? 关注教材内容的基础性和现代化 面向全体学生,促进个性发展 关注科学探究的本质特征 主体与栏目协调的呈现方式

(一)关注教材内容的基础性和现代化
? 高中必修的主要内容是经典力学部分,它是古老的, 但不是陈旧的,编者力图在教材中反映时代的气息。 ? 大到结构上的考虑,小到一个情景的设置、一个习 题的选择、一张图片的选用等,都努力与现代生活、 科学技术、社会文化联系起来。 ? 例如,在匀变速直线运动规律的应用中,让学生参 与飞机跑道和飞机制动系统的设计,参与对交通事 故分析的讨论。

【例】发展空间:火星运动的轨迹
? 在不同参考系中看到的 火星运动轨迹。 ? 目的:认识选择不同的 参考系,对同一研究对 象运动情况的描述可能 不同。 ? 为必修2 “天体运动” 中日心说的建立打下伏 笔。

【例】位移引入的情景
? 许多穿越塔克拉玛干 沙漠的勇士常常迷路, 甚至因此而丧生. ? 他们之所以失败,常常 是因为在沙漠中弄不清 这样三个问题:我在哪 里?我要去的地方在哪里?选哪条路线最佳? ? 20 世纪末,一位欧洲妇女成功穿越了这个“死亡 之海”,这是因为她携带了GPS接收机,时时都 能找出上述三个问题的答案.

【例】速度的引入

【例】重力影响着我们的世界

? 图2-2-6 黑犀牛之 所以不被自身的重 力压垮,并能正常 行动,是因为它的 骨骼特别粗大。

【例】重力影响着我们的世界
? 英国作家斯威夫特创 作的《格列佛游记》 一书中,有这样一幅 漂亮的插图. ? 我们假定把这儿的故 事改一下:图中的巨 人生活在我们地球上, 周围的“小人”就是 我们人类,在重力的 作用下,巨人能有与 周围的“小人”相似 的身材吗?

(二)面向全体学生, 促进个性发展

1.注意控制面向全体学生的深度要求
? 例如, 必修中,主要研究的是匀变速运动 和匀速圆周运动,在建立加速度概念时,不 必区分平均加速度和瞬时加速度,在学习匀 速圆周运动时可再指出其加速度的瞬时性。 ? 在学过匀变速直线运动规律后,注意引导学 生联系实际解决一些基本的问题,不引导学 生去解一些复杂的追击问题。 ? 注意,有的概念是在过程中提高的,不要求 一次到位。

2.注意要求层次的选择性
? 教材分必学和选学两部分,如第四章中“平 衡的稳定性”属于选学要求。 ? 教材中的练习和习题分为:①课堂内的活动 和例题;② “练习与评价”,多为节后的 概念辨析、定律的理解以及基本应用练习; ③章后的“习题”,比前者要求稍有提高。 ? “发展空间”中,除了某些知识的拓展和加 深,还有一些研究性的课题和要求适当提高 的习题。发展空间不是对全体学生的要求。

3.向一定特长的学生推荐适合的课题
? 例如:对于理论思维较强的学生,可以推 荐他们做发展空间中的“交通事故的分析” 课题。 ? 对喜欢实验的学生可以推荐他们做估测楼 房高度的实验,或用斜面法做牛顿第二定 律的实验。 ? 网上查阅,如军事题材、航天题材、与重 力有关的题材,等等,鼓励学生以小论文 的形式交流。

(三)关注科学探究的本质特征, 防止探究的形式化和程式化

1.以问题为主线呈现教学内容 ——教材从陈述性转变为探究性
大问题 中问题 小问题

创设情境、提出问题
问题的 呈现顺 序与解 决形式 为解决问题做准备 找出问题的“解” 对“解”作进一步讨 论 有利 学生 自主 学习

2. 加强物理实验,关注技能训练与探究 的结合
?学生实验:用打点计时器测量平均速度 ?学生实验:测定匀变速直线运动的加速度 ?学生实验:探究共点力合成的规律 ?学生实验:探究a与F、m之间的定量关系 ? 教材中还有许多随手取材或自制教具的学生实 验和活动。

实 验 探 究 合与 理 论 探 究 结

?

对 探 究 的 正 确 理 解

消 元 法

(四)正文与栏目相协调的呈现方式

1 . 灵活运用各种栏目
观察思考10 活动15 学生实验4 实验探究3 讨论交流27

练习与评价23

发展空间18

2.“讨论交流”栏目与“观察思考”栏 目的区别与联系

观察图片 提出问题

指出解决问 题的方法

回归原问题

坐标原点建在哪里?

观察实验 提出思考 问题

推理出 来 的问题

没 有 明 显 界 线 !

3.“活动”栏目与“实验探究”栏目的 区别

动手实验 问题较单一 过程较简单

动手作 图为合 力的变化 作铺垫

解题 但有 探究 味道

4.“小资料”栏目的重要作 用

三、教学建议

(一)面向全体学生,关注入门台阶
? 过高的台阶会挫伤学生学习的积极性, ? 将台阶适度降低,把握学生对概念的学习进 程,扎实一点,让学生逐步适应高中的学习 方法。 ? 关注与生活的联系、对现象的观察及思考, 充分开展交流和讨论,注重动手实验与理论 思考的结合。 ? 对抽象程度较高的问题,注意变抽象为具体, 化解思维的难度。

通过生活 经验体验 a与F、m 的定性关 系,降低 入门难度

【案例】瞬时速度
? 瞬时速度是描述运动的重要概念,也是学 生的难点。 ? 准备↓ ? 让学生了解初中与高中速度定义的区别: 前者是路程变化的快慢,后者是位置变化 的快慢。如何让学生更好地意识到这种区 别?举生活实例,如南京到北京,飞机、 火车、汽车,路径不同,我们关注的是从 一地到另一地的位置变化的快慢。

【案例】瞬时速度
? 让学生理解变速运动中的平均速度概念, 只能粗略地描述物体在一段时间内运动的 快慢,它的方向由位移方向决定。 ? 学生实验“用打点计时器测量平均速度”: 它是学生第一次认识和使用打点计时器, 既有技能训练的目的,又有理解平均速度 概念及学会测量方法的目的,还为建立瞬 时速度概念做感性的准备。

学生实验:用打点计时器测量平均速度

A

订正

【案例】瞬时速度
? ? ? ? 建立瞬时速度的概念。 陈述什么叫瞬时速度,大小、方向的意义。 瞬时速度大小的测量。 讨论:“用打点计时器测量平均速度”的 实验数据给我们哪些启示?

一组数据
O-B
位移大小x /cm 平均速度v /cm·-1 s 13.1

O-C
21.2

O-D
30.3

O-E
40.3

O-F
51.3

65.5

70.7

75.7

80.6

85.5

分析可知:
? 小车在斜面上运动是越来越快的,A点肯定比E点 来得慢,在测量的平均速度的数据中,区间越接 近A点,求得的平均速度值的越小。可见,该区 间比其他区间测得的平均速度更能反映A点运动 的快慢。 ? 研究表明,围绕某待测点所取的时间Δt 越来越小 时,测得的平均速度大小就越来越接近该点(该 时刻)的速率,所取位移的方向就是物体在该点 (该时刻)的运动方向.

小结:怎样用实验测量瞬时速度
? 通常,实验中取计数周期为0.1 s,则纸带上 与某一点相邻的2 个计数点间的时间为0.2 s, 这比一条纸带所记录的总时间要小得多, 因此,可以将与某一点相邻的2 个计数点间 的平均速度当作该点的瞬时速度。 ? 讨论交流:怎样根据图1-3-5的纸带求出打A、 B、C、D、E各计数点时的瞬时速度? ? 简单介绍速度—时间图像。

案例评析
? 该案例从准备阶段开始就考虑为瞬时速度概念的 建立做好铺垫。 ? 由生活的实例引入瞬时速度的意义,而非下一个 严格的定义。 ? 采用实验的策略,借用求平均速度实验得到的数 据,使学生感受将所取时间(区间)趋近待测点 的作用,体现了极限的思想,但回避了抽象的数 学极限方法。同时教给学生可操作性的测量方法, 并通过讨论交流巩固方法的应用。 ? 对于图像点到为止,对于方向没有展开讨论,这 是合适的。

回答一个问题:怎样确定求瞬时速度的Δ t ?
D E F

? 取时间间隔为0.06s,求DF段的平均速度, 以此来表示E点的瞬时速度,而不能用更小 的区间,这合适吗? ? 在通常的实验中,比较多的用计数周期为 T=0.1s,用0.2s的时间间隔求瞬时速度, 在自由落体运动中则可以用T=0.02s,用 0.04s的时间间隔求瞬时速度。

(二)关于实施探究教学的建议
1.关注探究的本质特征,使多种教学 方式有机结合

【案例】探究共点力合成的规律
? 传统教材按陈述性的方法,让学生一步一步地操 作,从而得到共点力合成的平行四边形定则,学 生实验比较顺利,但缺少思考和探究性。 ? 课标教材改变了陈述性的写法,在问题提出后, 让学生提出猜想,再用实验来验证猜想,但是学 生缺乏提出猜想的经验(个别的事实),也没有 可以启发思考的理论依据(运动的合成在力的合 成之后)。 ? 因此,这里的“猜想”偏离了探究应有的本质特 征,多数学生只能通过看结论而作“猜想”。

教科版教材按如下思路设计:
? 概念准备↓ ? 通过讨论交流,猜想同一直线上受两个力 的情况; ? 通过观察图例,认识什么是合力、分力、 力的合成,以及共点力。

教科版教材按如下思路设计:
? (1)教师演示:用 3~4个砝码牵引一根 弹簧,求两分力成直 角时的合力(如右 图)。 ? (2)学生猜想:如 果两分力方向之间不 成直角,合力和分力 可能有什么关系?

(3)学生实验:用两个弹簧测力计拉伸橡皮 筋,验证你的猜想。

验证猜想

? ①让两个力之间互成120°,且与橡皮筋伸 长方向成60°,实验并作图,你能看出合 力与分力的关系吗? ? ②改变两个力的大小和方向,重复上述实 验和作图,可以得到同样的结论吗?写出 你的实验结论。

改变后的方案的特点:
? 演示实验,教师操作且只演示一种特殊情 况,实验难度降低,通过它说明力的合成 的概念。 ? 演示实验只给出了一种特殊情况下的信息, 它为学生提供猜想的依据,而不是实验的 结论。 ? 选用一种有较大尝试空间且操作难度较小 的实验方案,让学生动手,验证自己提出 的猜想。

【案例】探究加速度与力、质量的关系
? 这是一个教学的重点内容,关键是做好实 验,但实验比较困难。 ? 有的教材用斜面上小车加速运动的方案, 忽略摩擦力,实验操作比较易行,但原理 上比较复杂,小车受到的力是重力与斜面 支持力的合力,况且摩擦力也难以忽略。 ? 有的教材,用图示的 ? 方法,得不到量化的 ? 结果。

【案例】探究加速度与力、质量的关系

教科版教材的设计思路↓
? 准备:从生活中的实例和图例讨论影响加 速度大小的因素。 ? 学生实验:重点是讨论实验方案的设计和 实验操作与数据处理。而不在于某种具体 方案的细节。以连接体的方案为主体,突 出各种不同方案的共性。

【案例】探究加速度与力、质量的关系
1.实验方案的设计: (1)如何使物体在力的作 用下做匀加速直线运动? ? 基本的模型: ? 被研究的物体M,在牵引 力F作用下运动。 ? 如何消除摩擦力的影响? ? 倾斜法或气垫法。

【案例】探究加速度与力、质量的关系
(2)如何测量被研究物体的质量及其所受的拉力? ? 直接给出

M ?? m时, 近似有F ? mg
? 或者用传感器采集拉力的大小。 (3)如何测量物体的加速度? ? 分析打点纸带得到的数据,求出加速度; ? 也可以用传感器、数字计时器和计算机处理得到 加速度的大小。

【案例】探究加速度与力、质量的关系
2.实验操作与数据处理 (1)实验,作出a-F图像; (2)实验,作出a-M图像; ? 你所描出的a - M 图像是否是一条直线?如 果不是,你认为加速度与质量可能是什么 关系?又如何尝试确定它们的关系呢? ? 尝试以质量的倒数1/M为横坐标,并画出图 像,你有什发现?

案例评析
? 教给学生:设计实验与处理数据的思想方法在探 究中是重要的。 ? 教师可以根据自己学校的条件,选择具体的实验 方案。 ? 只是定性的实验是不够的,用这种实验讨论数据 处理的方法是没有意义的,牛顿第二定律的得出 需要建立在数据分析的基础上。 ? 用连接体的实验有缺点,但它是一个可行性较好 的定量实验,能给学生测量和处理数据的机会, 关于它的道理,教材在超重与失重一节后,安排 了一道讨论交流的题目,

2.关注激发学生的好奇心,培养学习兴趣
? ? ? ? 关注应用随手取材的小实验 为学生提供观察思考的机会; 为学生提供动手参与的机会; 为学生提供交流讨论的机会。

小实验
? 拍摄小球下落的照片, 估测楼房高度。 ? 把打点纸带按计数点 剪开,顺序贴在坐标 中,作图像,求加速 度。 ? 体验力分解的效果。

(三)关于科学思想与人文精神 的渗透
1.挖掘物理学原本存在的教育因素, 关注三维目标的有机融合

【案例】自由落体运动
? 匀变速直线运动的 特例…… ? 循着伽利略的探究 之路前行。

一、对“重快轻慢”的讨论
? 在我们生活的环境中,经常会看到物体从 高处下落,如熟透的果实从树上坠落,树 叶或纸片飘然落下-,似乎重的物体下落 得快,轻的物体下落得慢。 ? 其实,早在公元前4世纪希腊哲学家亚里 士多德(Aristotle,384 B.C. —322B.C.) 就提出了物体越重下落得越快的观点,可 以说有相当多的现象支持这一观点,例如 石块就比羽毛下落得快。 ? 你对他的观点产生过怀疑吗?

小实验:比较橡皮和纸片的下落
? 取一张纸和一块橡皮,让它们同时从同一 高度由静止释放,你观察到了什么? ? 把纸对折,再对折,再揉成纸团,每次都 让它与橡皮从同一高度释放,你又观察到 了什么? ? 通过实验你认为造成“重快轻慢”的真正 原因可能是什么?

伽利略对亚氏的挑战
? 16世纪,意大利物理学家伽 利略(Galileo Galilei, 1564~1642)设想了一个佯 谬,对亚里士多德的观点提 出了疑问,并对落体运动进 行了系统的研究。 ? 让我们跟随伽利略的思路一 起来探究!

发现问题:落体佯谬
? 设想把一个重物A和一个轻物B系在一起,同时下 落。如果亚里士多德的观点是正确的,系在一起 的物体比单独一个重物下落是快了还是慢了?请 谈谈你的看法。
A B B

A

A

(a) 把AB作为一个整体,与A相 比,哪一个下落得快?

(b)如果没有把A、B系在一起,A比B快, 现在用线将它们联系起来,考虑两物 体之间的拉力作用,它们与单独下落 的A球相比,哪个下落得更快?

“重快轻慢”的原因及支持证据
? 伽利略通过上述推理指出了亚里士多德观 点的自相矛盾之处。 ? 那么又如何解释生活中观察到的重的物体 比轻的物体下落得快?通过活动,我们知 道这是由于空气阻力的影响造成的, ? 如果设法减小空气阻力的影响,使之可以 忽略,轻重不同的物体下落的快慢程度将 会相同。在真空实验室里人们用闪光照相 的方法对羽毛和苹果的下落进行研究,证 实了这一观点。

实验——排除空气阻力的影响

月球上的落体实验 ? 1969年7月16日,美国3名宇航员乘阿波罗11号飞 船实现了人类的首次登月。此后,美国又相继进行 了5 次登月飞行。其中以1971年阿波罗15的登月活 动最为有趣:宇航员大卫斯科特在没有空气的月球 上将一根羽毛和一把铁锤同时释放,发现它们同时 竖直地落到月球表面。

二、定义自由落体运动
? 我们把只在重力的作用下,物体由静止开 始下落的运动叫做自由落体运动(free fall)。 ? 如果物体下落时所受空气阻力与重力相比, 可以忽略不计,也可看成是做自由落体运 动。 ? 不同的物体从同一高度自由下落,它们的 运动都是相同的。

三、伽利略对自由落体规律的假说
? 为了寻求落体运动的规律,伽利略通过 反复思考,在“自然界总是习惯于运用 最简单和最容易的手段”的信念引导下, 最终提出了一个假说: ? 物体下落过程是一个速度逐渐增大的过 程,其速度与时间成正比,即

v?t

提出假说
? 伽利略又从这一假设出发,巧妙地推导出 了物体下落距离与时间的关系,即下落距 离与时间的平方成正比,即

s?t

2

四、间接验证
? 在伽利略时代,由于计时的技术很难满足 测定自由落体时间的要求,伽利略采用了 间接实验的方法。

五、合理外推
在斜面实验的基础上,伽利略设想,将 斜面的倾角逐渐加大,直到90°角,小球的 运动应当满足距离与时间平方成正比的关系( 如图)。他还通过多方论证,说明他提出的假 设是正确的。

六、小结
? 用公式表示,其假设为 ? v

vt ? kt, k ? v0 ? 0,

t

t

vt ? v0 k? ? a ? g(重力加速度) t
? 说明自由落体运动是初速度为零、加速度恒定 的匀加速直线运动。

自由落体运动规律的验证
? 当年由于实验条件所限,伽利略无 法直接对落体运动进行实验研究, 今天即使在中学实验室里,我们也 已经具备了足够的技术条件,直接 验证落体运动的规律。 ? 验证的方法:测定重力加速度。 ? 活动:由闪光照片测定重力加速度。 ? 讨论重力加速度。

案例评析

“自由落体运动”课题的特点
1.物理学史中的一次重大挑战; 2 .物理科学方法的奠基; 3 .学生关于运动前概念的一次冲击; 4 .巩固对匀变速直线运动规律的认识。 类似的课题,如:力与运动的关系,万 有引力的发现,电磁感应现象的发现,光 的波动性的认识等。

对本案例的评析
本案例按教材的基本思路进行设计, 考虑如下问题:如何利用物理学史的宝贵 资源使三维目标有机融合? 借鉴历史,但不是简单陈述历史事实。 把学生带进历史的探究中去。 在过程中理解知识。 在过程中领悟方法和培养能力。 把历史和现代的发展联系起来。

? ? ? ? ?

谢谢各位!


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