王益華

【摘要】從教學(xué)實踐出發(fā)，對人教版必修第二冊第六章第四節(jié)“生活中的圓周運動”中的“火車轉(zhuǎn)彎”專題做了一些探討和嘗試.對教材內(nèi)容進行精加工、細處理、再拓展，彰顯了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，讓學(xué)生在掌握知識的同時提升思維品質(zhì).

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng)；火車轉(zhuǎn)彎道；外軌超高

1 引言

“生活中的圓周運動”是一節(jié)規(guī)律應(yīng)用課，是“曲線運動”全章內(nèi)容的總結(jié)與提升.教材的編寫意圖很明顯，讓學(xué)生體會到“理”在“物”中，屬于應(yīng)用所學(xué)理論知識解決現(xiàn)實問題的典型事例.然而，“火車轉(zhuǎn)彎”這一專題的實際教學(xué)效果并不理想，究其原因有三：其一，火車彎道這一真實情境不為學(xué)生關(guān)注，坐過火車且真正關(guān)注到火車車輪的獨特結(jié)構(gòu)的學(xué)生少之甚少［1］；其二，教材給出的文字和圖片信息過于簡單，不利于學(xué)生開展有效自主學(xué)習(xí)；其三，教師自身對該內(nèi)容的科學(xué)知識本質(zhì)認識不夠，同時缺乏對教材內(nèi)容的系統(tǒng)研究.

課堂教學(xué)的目的是通過教學(xué)活動把知識發(fā)生、發(fā)展的邏輯過程，轉(zhuǎn)化為學(xué)生的思維過程.為此，教師需要揭開教材嚴(yán)謹抽象的面紗，整合各種教學(xué)資源，把真實的物理現(xiàn)象和過程呈現(xiàn)給學(xué)生，豐富學(xué)生對概念和規(guī)律生成過程的體驗，形成主觀性理解和判斷，理解物理概念和規(guī)律的內(nèi)涵與外延.2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出：“物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理學(xué)科知識的過程中逐漸形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，主要由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4個要素構(gòu)成.”其中的“物理觀念”表現(xiàn)水平有如下表述：具有物理觀念，能從物理學(xué)的視角描述和解釋自然現(xiàn)象，能應(yīng)用物理知識解決實際問題［2］.那么“火車轉(zhuǎn)彎”如何呈現(xiàn)給學(xué)生，如何指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用已有物理知識解決這一實際問題.教師只有在課堂設(shè)計過程中充分突出學(xué)生的主體地位，在學(xué)生的就近發(fā)展區(qū)組織、開展教學(xué)活動，才能引導(dǎo)學(xué)生建立正確的科學(xué)本質(zhì)觀，把核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實到位.

2 引入

隨著城市化進程的加快，相比于火車彎道，汽車彎道更常見，更易讓學(xué)生在認知上產(chǎn)生共鳴.可以對轉(zhuǎn)彎過程中的汽車進行運動和受力分析，以建立力與加速度之間的聯(lián)系.圖1是蘇州繞城高速一處匝道的路面，設(shè)計明顯外側(cè)高于內(nèi)側(cè).

問題1 為什么路面需要有外高內(nèi)低的設(shè)置？

問題2 若忽略次要因素，將這一轉(zhuǎn)彎過程簡化成圓弧路面上的勻速圓周運動，如何確定汽車向心加速度的方向？

問題3 引導(dǎo)學(xué)生進行運動和受力分析，找尋力和加速度之間的聯(lián)系.

（1.先畫出汽車圓周運動的軌跡圓，確定其圓心和半徑.2.沿半徑方向的合外力提供向心力，如圖2所示.）

問題4 表達式是怎樣的？汽車做勻速圓周運動的最大速度與什么因素有關(guān)？

（關(guān)系式如下：tanθ=manmg=v2Rg ）

點評 基于身邊易感知的真實情境，循循善誘，符合學(xué)生認知規(guī)律，學(xué)生更感興趣，課堂氛圍更好.

3 新課

相較于汽車，火車的運輸效能更大.但其質(zhì)量巨大，需要特別的車輪和運行軌道，如圖3.介紹車輪獨特構(gòu)造：“踏面”用于承重，“輪緣”用于引導(dǎo)火車運行.

教師 火車的彎道應(yīng)如何設(shè)計？

學(xué)生 外軌高于內(nèi)軌.

教師 現(xiàn)實中如何操作？

播放視頻 老師在鐵路彎道上現(xiàn)場調(diào)查，與技術(shù)員交流，按現(xiàn)實生活中數(shù)據(jù)計算彎道外軌需要墊高的高度［3］.其中涉及到的數(shù)學(xué)、物理知識有：

sinθ=hL ，? tanθ=v2Rg ，? sinθ=tanθ（當(dāng)sinθ很小時），

最終得出火車轉(zhuǎn)彎速度v的表達式：v= hRgL（其中h為內(nèi)外軌高度差，R為火車的彎道半徑，L為火車輪距）.

教師 如果火車經(jīng)過彎道時實際運行速度與規(guī)定速度不相等會如何？

學(xué)生思考、討論.

教師總結(jié) 速度偏大，火車改變運行方向需要的向心力大，車輪踏面所受彈力沿水平方向的分力不足以提供向心力（俗稱“供不應(yīng)求”），此時外側(cè)車輪輪緣與軌道發(fā)生擠壓，產(chǎn)生向內(nèi)的彈力作為補充，容易損壞外側(cè)軌道；反之，速度偏小，火車需要的向心力小，踏面所受彈力沿水平方向的分力大于轉(zhuǎn)彎需要的向心力（俗稱“供大于求”），內(nèi)側(cè)車輪輪緣與軌道發(fā)生擠壓，產(chǎn)生向外的彈力用于抵消，容易損壞內(nèi)側(cè)軌道.

介紹2013年7月西班牙客運火車發(fā)生脫軌事故，如圖4所示.引導(dǎo)學(xué)生分析形成事故的原因.

點評 循序漸進，突出物理知識的建構(gòu)過程，符合教學(xué)邏輯.

4 鞏固

例 某同學(xué)設(shè)計了一種能自動轉(zhuǎn)彎的輪子.如圖5所示，兩等高的等距軌道a、b固定于水平桌面上，當(dāng)裝有這種輪子的小車在軌道上運行到達彎道略微偏向軌道外側(cè)時，會順利實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎而不會脫軌.圖6所示的輪子中，能實現(xiàn)這一功能的是（? ）

試題分析 由圖可知，軌道a為外側(cè)軌道，轉(zhuǎn)彎時應(yīng)保證外側(cè)高于內(nèi)側(cè).其中（A）選項車輪向a軌側(cè)移，a軌上外側(cè)車輪抬升，b軌上內(nèi)側(cè)車輪下降，形成“外高內(nèi)低”.（B）選項結(jié)論與（A）相反.（C）（D）選項：內(nèi)外車輪同升同降，不符合題意.故選（A）.

點評 立足教學(xué)實際，讓學(xué)生學(xué)有所用，體會到學(xué)習(xí)快樂，增強學(xué)習(xí)自信.

5 拓展

師者學(xué)高，核心素養(yǎng)的落實也體現(xiàn)在課堂知識的廣度和深度上，這源于教師日常知識的儲備和積累.

5.1 踏面、輪緣

實際上壓向鋼軌的“踏面”（和鋼軌頂部接觸的部分）也不是圓柱體.一般踏面斜度分為1：20和1：10兩段.前者是經(jīng)常和鋼軌頂面接觸的部分，可以調(diào)整內(nèi)外車輪的滾動直徑，便于通過曲線，也可以在直線上自動調(diào)中并使踏面磨耗比較均勻.后者只在曲線上才能與鋼軌頂面接觸.這樣設(shè)計的目的是保證火車在彎道時由于離心作用致使外軌側(cè)車輪輪緣緊貼鋼軌側(cè)面，內(nèi)軌側(cè)車輪輪緣與鋼軌側(cè)面留有一個間隙，使火車很容易順利地通過曲線.為防止車輪脫軌，火車車輪踏面的內(nèi)側(cè)制成凸緣，通俗地稱為“輪緣”.

5.2 外軌超高

外軌超高就是把內(nèi)側(cè)鋼軌保持在原來的水平，而把外側(cè)鋼軌抬高一定的高度.曲線上的外軌超高一經(jīng)設(shè)置，便成為一種固定設(shè)施.當(dāng)行駛速度v與規(guī)定速度v0不一致的列車通過時，實際需要的外軌超高和實際設(shè)置的外軌超高就不適應(yīng).若前者大于后者，就稱為曲線上外軌“欠超高”，反之稱為“余超高”.為確保行車安全和旅客舒適，延長鋼軌的使用壽命，我國鐵路規(guī)定：一般情況下，欠超高Δh不得超過60～75mm，在困難情況下，不得超過90mm.按最大容許欠超高Δh的規(guī)定，通過超高為h曲線的最高允許行車速度：vmax= h+ΔhR11.8.

5.3 軌距加寬

軌距加寬是指將曲線外軌保持在原來的位置上，把內(nèi)軌向曲線中心方向移動.曲線上，為使固定軸距較大的機車車輛能順利通過，避免車輪被卡住，并盡量減少輪軌摩耗及對軌道的破壞作用，可以通過“軌距加寬”讓車輛以“自由內(nèi)接”（即車輛轉(zhuǎn)向架上的最前軸外輪與曲線外軌接觸，最后軸則位于曲線半徑的方向上）的方式順利通過.但軌距過大，車輪壓在鋼軌面上的寬度太小，有掉道的危險，而且行車也不平穩(wěn).根據(jù)計算：曲線上的最大容許軌距應(yīng)為1450mm，即最大加寬15mm（直線地段的軌距為1435mm）.

點評 生態(tài)課堂的建設(shè)需要教師在教學(xué)設(shè)計中主動突破“是什么”的教學(xué)瓶頸，多引導(dǎo)學(xué)生思考“為什么”和“還有什么”.

6 教學(xué)建議

學(xué)生是知識的主動建構(gòu)者，不是被動盛裝的容器.教育的目的也不是把籃子裝滿，而是將學(xué)生喚醒，把他心中的燈點亮.物理知識、思維、方法的習(xí)得只有通過學(xué)生實踐、親歷，才能內(nèi)化于腦海.這要求日常教學(xué)中教師更應(yīng)多從真實情境著手，多營造實驗氛圍，彰顯教學(xué)邏輯，突出知識的建構(gòu)過程.讓學(xué)生養(yǎng)成見物講理，勇于探究的學(xué)習(xí)習(xí)慣.只有這樣的課堂才是“接地氣”的、生態(tài)的；才能真正培養(yǎng)學(xué)生的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力.

參考文獻：

［1］楊亞芳.基于物理核心素養(yǎng)提升的教學(xué)設(shè)計——以“生活中的圓周運動”為例［J］.物理教學(xué)，2016（5）：11-15.

［2］田春鳳，郭玉英.教師對科學(xué)知識本質(zhì)的認識及其教學(xué)影響——基于對一線教師的調(diào)查［J］.物理教師，2018（11）：2-4+9.

［3］童大塤.鐵路軌道基本知識［M］.3版北京：中國鐵道出版社，1997.