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优秀STEAM案例 | 生活中的圆周运动

2022-10-17 13:48

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

就物理学科而言，其本身就与技术和工程有潜在的联系。在中学物理教学中开展STEM教育模式：学生通过教师创设的物理情境，经历理论回顾、问题分析、方案设计、模型制作以及改进应用等步骤，逐步学会运用物理学知识解决实际的工程技术问题。

教学目标

情境引入设置问题

播放视频：教师播放胶济铁路脱轨事故新闻，通过新闻案例，创设物理情境，引导学生思考为何火车超速会引起脱轨。

设计意图：利用真实的新闻案例，给学生强烈的视觉冲击，激发研究兴趣。

知识讲解理清思路

演示实验１：教师演示水流星实验，即提着水桶使其在竖直平面内做圆周运动。学生观察桶内水的运动状态。

教师提问：水为什么没有洒出来？

受力分析：教师带领学生以桶运动至最高点为例进行受力分析（如图１），引导学生得出重力，桶底的弹力提供了向心力，且重力全部提供了向心力，因此水未洒出。

教师追问：如果减慢环绕速度，实验能否成功？

演示实验2：教师减慢速度环绕水桶，环绕过程中水洒出。

教师提问：为何速度减慢，水会洒出来？

回顾知识：教师在学生思考时予以提示，向心力的表达式

这个式子表示了一定质量的物体，以一定的线速度，一定的轨道半径做匀速圆周运动时，需要向心力的大小，即体现出向心力的需求量。但要解决实际问题，重要的是把向心力的来源分析清楚，即分析向心力的提供量。水流星实验中，只有当向心力的需求量等于提供量，实验才能成功，减慢了环绕速度，使得减小，重力不需要全部用来提供向心力，因此水洒了出来。

教师提问：根据这一思路，能否解决火车脱轨问题？

形成初步猜想：教师引导学生思考，火车本身质量很大，又以高速经过弯道，即很大，按照上述思路，一定是给火车提供向心力的“源头”出现了问题。火车在铁轨上行驶，那么向心力的来源一定与铁轨有关。

设计意图：注重学生的前认知，引导学生在前认知基础上进行深层加工。通过分析生活中的物理情景和两次实验现象，对向心力概念、公式进行回顾，强化其科学基础（Ｓ），再将公式与实际问题相结合，帮助学生理清解决圆周运动问题的基本思路，即①找到向心力的来源即提供量；②计算向心力的需求量；③根据提供量、需求量的关系判定能否做圆周运动。若不能，判断哪一方出现问题，以此为切入点展开分析。

分析问题协同设计

展开推测：学生运用上述思路推测，火车脱轨的根本原因是向心力的供求关系失衡。此时教师提问：铁轨是如何作用于火车的？并向学生展示实际铁轨和火车车轮接触位置的细节图（如图2）。

演示实验３：教师演示改造过车轮的四驱车经过带有护圈（用纸条黏贴而成）的水平弯道，以重现脱轨事故（如图３）。实验中小车冲出了轨道且冲破护圈（如图４）。证明小车对铁轨有向外的作用力。此时学生根据牛顿第三定律，可得知铁轨对四驱车有向内的压力（如图５），该力即为火车转弯时向心力的来源。

提出工程问题：教师展示实际铁轨的铺设状况（如图６），让学生看到铁轨仅通过道钉固定在石墩上，并不能承受太大的压力，即这样的铁轨存在安全隐患。此时教师提问：若你是工程师，该如何设计铁路轨道来消除脱轨隐患？

提出猜想：教师引导学生思考，既然轨道对轮缘的压力不能提供足够的向心力，是否可以通过改造铁轨，使其他力帮助提供向心力。

理论推断：教师引导学生认识到，在火车前进转弯时，重力的方向不可改变，牵引力、阻力的方向时刻与火车前进的方向相同或相反，因此只有支持力的方向可以改变。此时提出问题：如何改变支持力的方向？

提出方案：学生提出通过抬高外侧铁轨，使支持力向内倾斜。实施方案：教师邀请学生上讲台，按照上述方案，将教师的实验器材稍加改进，并再次实验（如图７）。实验中四驱车以同样速度经过轨道，不再脱轨。

理论分析：教师引导学生对火车进行受力分析，当轨道倾斜后，重力和支持力的合力共同提供了向心力，弥补了向心力来源上的不足，因此火车安全通过弯道（如图８）。

设计意图：以实物图片和事故重现的方式，帮助学生自主找到火车转弯时向心力的来源，为学生继续研究问题建立自信；引导学生从工程师的角度，对比理论分析和实际情况，并逐步将学生引导至对轨道铺设这一工程问题（Ｅ）的思考角度，找到解决问题的办法，将物理概念与工程技术充分结合，使学生对向心力的概念和公式能有更加深入的理解。

制作模型验证方案

制作模型：学生根据实验方案，并利用准备好的实验材料分小组制作模型（如图９），让小车经过制作的弯道，观察是否发生脱轨。