物理核心素養(yǎng)

關(guān)于物理核心素養(yǎng)何為核心素養(yǎng)？“素養(yǎng)”最初涵義是指基本的修養(yǎng)，包括由訓(xùn)練和實(shí)踐而獲得的技巧或能力，具體指?jìng)€(gè)體平時(shí)修養(yǎng)而成的知識(shí)、能力、品德、觀念、方法等。國際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）廣邀學(xué)者自1997年至2005年進(jìn)行了為期近九年的“素養(yǎng)的界定與選擇”專題研究。研究指出，素養(yǎng)是對(duì)知識(shí)、能力、態(tài)度的統(tǒng)整，是個(gè)體在與情境的長(zhǎng)期互動(dòng)中逐漸生成的。凸顯了情感、態(tài)度、價(jià)值觀的重要性，強(qiáng)調(diào)了人的反省思考及行動(dòng)與學(xué)習(xí)。第2頁,共16頁，2024年2月25日，星期天高中物理核心素養(yǎng)物理觀念：物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀、相互作用觀及應(yīng)用科學(xué)思維：模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新科學(xué)探究：?jiǎn)栴}、證據(jù)、解釋、交流科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE第3頁,共16頁，2024年2月25日，星期天1、物理觀念教學(xué)片斷1：

師：關(guān)于場(chǎng)，已經(jīng)學(xué)過了重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)，現(xiàn)在我們一起討論帶電粒子在只有一個(gè)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況。

如圖1所示A

、B、C都做什么運(yùn)動(dòng)（用帶有箭頭的力線分別表示重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)）A重力場(chǎng)

B電場(chǎng)

C磁場(chǎng)第4頁,共16頁，2024年2月25日，星期天學(xué)生1：當(dāng)帶電小球初速度為0時(shí)，重力場(chǎng)做自由落體運(yùn)動(dòng)、電場(chǎng)中做初速度為0勻加速直線運(yùn)動(dòng)、在磁場(chǎng)中處于靜止?fàn)顟B(tài)。

師：很好！若有初速度而且速度方向與場(chǎng)方向同向或反向又做什么運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生2：在重力場(chǎng)中做豎直上拋或豎直下拋、電場(chǎng)中做勻加速或勻減速運(yùn)動(dòng)、在磁場(chǎng)中……

讓我想一想，根據(jù)對(duì)稱性應(yīng)該和電場(chǎng)一樣……學(xué)生3：（補(bǔ)充）不對(duì)，應(yīng)該做勻速直線運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗俣确较蚺c磁場(chǎng)方向平行受力為0。

師：很好！我們不能隨便遷移，做什么運(yùn)動(dòng)還是從受力入手，這是正常物理思維。那么如果有初速度而且方向與場(chǎng)方向豎直，他們又做什么運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生4：（很快回答）在重力場(chǎng)做平拋運(yùn)動(dòng)，在電場(chǎng)做類平拋運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)中也應(yīng)該做平拋運(yùn)動(dòng)如圖2（學(xué)生定勢(shì)思維再一次曝露出來）。第5頁,共16頁，2024年2月25日，星期天師：（用目光掃視教室一周）平拋運(yùn)動(dòng)的條件是什么？

學(xué)生5：有初速度且垂直于恒定的合外力。

師：對(duì)的，那我們不妨來考察一下磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡（如圖根據(jù)左手定則洛倫茲力垂直紙面向里，轉(zhuǎn)化成俯視圖，請(qǐng)一位學(xué)生來畫軌跡圖，如圖所示畫好后），當(dāng)運(yùn)動(dòng)到位置2畫受力圖。學(xué)生6：（畫好后頓悟）不是做類平拋，應(yīng)該做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

第6頁,共16頁，2024年2月25日，星期天師：反問：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)嗎？請(qǐng)一個(gè)同學(xué)回顧勻速圓周運(yùn)動(dòng)的條件是什么？

學(xué)生7：速度大小不變，且方向垂直于大小不變，方向始終指向圓心的合外力。

師：考察一下滿足條件嗎？

學(xué)生8：可能是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槁鍌惼澚Ψ较蚴冀K垂直于速度，所以洛倫茲力始終不做功，速度大小不變，根據(jù)洛倫茲力的公式可知洛倫茲力也不變。但方向會(huì)不會(huì)始終指向圓心？

師：那怎么辦？

學(xué)生9：實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)……（也許他們已經(jīng)看到我?guī)е鴮?shí)驗(yàn)儀器進(jìn)入教室，有點(diǎn)按耐不住了，而且非常希望揭開“謎底”）第7頁,共16頁，2024年2月25日，星期天

學(xué)生最容易混淆的“類平拋和勻速圓周運(yùn)動(dòng)”物理概念，是屬于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量基本認(rèn)識(shí)。通過實(shí)驗(yàn)證明：只有洛倫茲力下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過學(xué)生交流討論使物理觀念更清晰化，讓學(xué)生明白滿足什么條件做什么樣的運(yùn)動(dòng)。而如果教師對(duì)這部分教材處理只給結(jié)論，不關(guān)注物理觀念建立和形成過程，學(xué)生就會(huì)產(chǎn)生“洛倫茲力就做圓周運(yùn)動(dòng)，初速度與力垂直就做類平拋”的錯(cuò)誤觀念。建構(gòu)主義認(rèn)為“教師要由知識(shí)的傳授者、灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動(dòng)建構(gòu)意義的幫助者、促進(jìn)者；學(xué)生要從外部刺激的被動(dòng)接受者和知識(shí)的灌輸對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)者”。第8頁,共16頁，2024年2月25日，星期天2、科學(xué)探究與科學(xué)思維教學(xué)片斷2：

師：通過實(shí)驗(yàn)證明軌跡是圓形，可以說明：只有在磁場(chǎng)中速度方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。那么勻速圓周運(yùn)動(dòng)我們最關(guān)注是什么？

學(xué)生1：圓的半徑和運(yùn)動(dòng)的時(shí)間（即周期）。師：很好，先猜想一下圓的半徑跟什么有關(guān)？學(xué)生2：可能與質(zhì)量有關(guān)，因?yàn)橘|(zhì)量越大慣性也越大，運(yùn)動(dòng)方向不容易改變所以半徑越大。

學(xué)生3：可能與粒子速度有關(guān)，因?yàn)樗俣仍酱?，運(yùn)動(dòng)方向不容易改變所以半徑越大（和車轉(zhuǎn)彎的道理一樣）。學(xué)生4：可能與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度越大，洛倫茲力也越大，運(yùn)動(dòng)方向很容易被改變，所以半徑越小

學(xué)生5：可能與帶電粒子電量有關(guān)，因?yàn)殡娏吭酱?，洛倫茲力也越大，運(yùn)動(dòng)方向很容易被改變，所以半徑越小。

師：同學(xué)講非常好，我們通過實(shí)驗(yàn)一一驗(yàn)證，半徑可能和四個(gè)量有關(guān)，用控制變量法，但由于電子槍只能發(fā)射電子，所以電量和質(zhì)量都沒辦法改變，實(shí)驗(yàn)只能控制速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。第9頁,共16頁，2024年2月25日，星期天實(shí)驗(yàn)3：保持速度（加速電壓為120V），改變磁感應(yīng)強(qiáng)度（改變螺旋管電流），觀察到現(xiàn)象：磁感應(yīng)強(qiáng)度（電流越大）半徑越小，相反半徑越大；如圖.怎么測(cè)量半徑呢？

學(xué)生6：用手機(jī)在同一位置依次拍下不同電壓或不同磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)的圖片，測(cè)量半徑時(shí)從軌跡寬度中點(diǎn)測(cè)量開始。

老師：很好，請(qǐng)兩位同學(xué)進(jìn)行操作。第10頁,共16頁，2024年2月25日，星期天實(shí)驗(yàn)4：保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變（改變螺旋管電流1.0A不變），改變速度大小（改變加速電壓），觀察到現(xiàn)象：速度越大半徑越大，相反半徑越?。蝗鐖D。第11頁,共16頁，2024年2月25日，星期天螺旋管內(nèi)部磁場(chǎng)近似勻強(qiáng)磁場(chǎng)、發(fā)射粒子速度近似相等，測(cè)量半徑時(shí)從軌跡寬度中點(diǎn)測(cè)量開始（化帶狀為線狀），這反映理想化思維，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過程；通過學(xué)生對(duì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑?jīng)Q定因素條件交流討論，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理思維，即演繹推理、歸納推理、類比推理。

通過對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的半徑?jīng)Q定因素條件討論交流，提出猜測(cè)和假設(shè)，用控制變量法方法獲取數(shù)據(jù)，列表和作圖方法處理數(shù)據(jù)，最后形成結(jié)論。特別是學(xué)生對(duì)誤差分析和實(shí)驗(yàn)不足的分析交流討論，可養(yǎng)成對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力，既體現(xiàn)教學(xué)開放性理念，又體現(xiàn)科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。第12頁,共16頁，2024年2月25日，星期天3、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任片斷3：老師：自從湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，微觀從此被打門，人們要用能量很高的帶電粒子去轟擊原子核，來觀察它們的變化情況，怎樣才能在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生高能量的帶電粒子呢?怎樣才能獲得更大能量？學(xué)生1：由一個(gè)電容器加速獲得高能量的帶電粒子如圖7甲，要獲得更大能量用多個(gè)電容器連續(xù)加速圖7乙。老師：實(shí)驗(yàn)表明：直線加速器能量只能被加速到4×104eV的能量，能量是有限的，而且需要很大空間，怎么解決？學(xué)生2：可以將圖7乙首尾連起來做成圓形，在外加一個(gè)垂直紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，讓帶電粒子處于加速和偏轉(zhuǎn)交替進(jìn)行的狀態(tài)，原理如圖7丙所示，從而減小了加速器的占有空間長(zhǎng)度，節(jié)約空間，能量得到有效提高。學(xué)生3：加速電場(chǎng)不用那么多，一個(gè)就夠如圖7丁所示，粒子每轉(zhuǎn)一周就得到一次加速。第13頁,共16頁，2024年2月25日，星期天學(xué)生4：同學(xué)3設(shè)計(jì)方式很簡(jiǎn)潔，節(jié)約材料，但問題是：每轉(zhuǎn)一圈電場(chǎng)方向改變一次，如何解決？能否人為控制？況且隨著速度增加半徑也在增大，加速電場(chǎng)工藝怎么做？

老師：說的很好，這個(gè)問題美國物理學(xué)家勞倫斯制作回旋加速器如圖戊，因?yàn)橹芷谂c速度無關(guān)，通過同步方式解決改變電場(chǎng)方向。由于勞倫斯制作回旋加速器貢獻(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。但是隨加速能量運(yùn)動(dòng)粒子速度接近光速時(shí)，同步被打破，怎么辦呢？這時(shí)人類開始思考直線型優(yōu)越性。第14頁,共16頁，2024年2月25日，星期天不管從直線加速器演變到回旋加速器最后又重新思考直線加速器價(jià)值，還是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜再到簡(jiǎn)單加速器演變過程，無不體現(xiàn)人類探索自然經(jīng)歷艱辛、曲折的漫長(zhǎng)過程，這需要勇于探索自然內(nèi)在動(dòng)力和熱情，更體現(xiàn)人類敢于質(zhì)疑、和善于反思的創(chuàng)新精神。學(xué)生只有參與感受、理解知識(shí)產(chǎn)生和發(fā)展的過程，才能更好地形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。教師在物理課堂教學(xué)過程中應(yīng)該多創(chuàng)設(shè)開放式、多元化的學(xué)習(xí)環(huán)境，這樣