陈志伟

(江苏省无锡市辅仁高级中学,江苏　无锡　214123)



简约不简单凸显层次感——谈“超重和失重”的教学设计

陈志伟

(江苏省无锡市辅仁高级中学,江苏无锡214123)

本节课教学设计以实验为主线，合理安排各个实验的“出场”顺序，注重创设问题情境，引起兴趣，激发疑问.创新、优化实验教学，训练学生动手、动脑，并注意提高演示实验的“可视性”.将实验探究与理论分析相结合，多角度、有层次地展开新课教学.

超重和失重；教学设计；DIS实验

本节课是在学完牛顿运动定律的基础上，探索和研究超重和失重的问题.这不仅有利于学生对牛顿运动定律的深化理解，而且有助于培养学生分析问题和解决问题的能力.

超重和失重是我们生活中容易接触到的物理现象，因此教学尽量贴近生活，从生活中来，到生活中去.教学过程中给学生提供动手实验的机会，让学生有切身的体会，同时也设置一些需要理论分析的问题，引发学生的思考和讨论，加深学生对超、失重的理解，由感性认识上升为理性认识.

1　重、难点分析

重点：发生超重、失重现象的条件及本质.

难点：(1) 运用牛顿运动定律对超重和失重现象的实例进行分析；

(2) 理解完全失重概念.

2　教学目标

2.1知识与技能

(1) 知道超重和失重现象;

(2) 理解产生超重、失重现象的条件;

(3) 能够运用牛顿运动定律分析超重和失重现象;

(4) 理解生活中的超重与失重现象,并能应用所学知识分析解决相关问题.

2.2过程与方法

使学生掌握正确观察超重和失重现象以及对实验现象进行分析和归纳的方法;使学生体验通过实验和理论分析探究超重和失重现象的过程.

2.3情感态度与价值观

激发学生对科学的兴趣和热情,使他们了解一些航天知识.在自主实验和逐步探究的学习过程中,培养细心观察、勤于思考和勇于交流的学习品质.

3　教学过程

3.1利用“弹簧秤提钩码”实验，引入新课

师：前面同学们学习了用牛顿运动定律处理共点力平衡的问题，今天我们继续用牛顿运动定律解决问题.

学生实验：在弹簧秤下悬挂一个钩码，钩码静止.

师：弹簧秤读数表示什么意思？

生：钩码所受重力.

师：根据什么原理？

生：二力平衡.

师：如何使弹簧秤读数变大？(结合肢体语言表示：不允许用另一只手向下拉钩码)

生：迅速向上提起.

师：向上运动读数一定增大吗？请大家继续做实验来判断.

生：快要停下的时候，也会出现读数变小.

师：对.向上提的过程中，为什么读数会变大或变小呢？我们一起来分析.上升过程可以分为哪两个阶段？(初速为零，末速为零，中间速度不为零)，这两个阶段的加速度如何？

如图1所示，根据运动学规律分析出加速度方向后，利用牛顿第二定律进行理论分析.

如果弹簧秤向下运动呢？读数如何变化？请同学们继续做实验.(这里可以类比上升过程，请学生自行完成分析)

这种读数发生变大、变小的现象，就是今天我们要学习的“超重和失重”.请同学们一起阅读课本上超、失重的概念，并结合图1，总结超、失重条件：

图1

(1) 发生超、失重时物体所受重力没有变，变化的是拉力(或压力)，也就是弹力；

(2) 超重、失重与速度无关，与加速度密切相关：加速度向上，超重；加速度向下，失重.

3.2利用体重计实验，解释现象，类比模型

请一个男生到讲台上来演示，学生站到体重计上，做下蹲、起立动作时，其他同学注意观察体体重计读数变化(实物投影)，并做好记录.实验现象为：下蹲时，体重计读数先减小后增大；起立时，体重计读数先增大后减小.

师：请大家思考体重计读数变化的原因.

生：与“弹簧秤提钩码”实验相似，下蹲过程先失重后超重，起立过程先超重后失重.

学生讲到两个实验“相似”时，教师应不失时机地说明“相似”的本质是这两个实验的“物理模型”相同.

3.3利用电梯中的超、失重事例，引导学生快速判断，突出主题

师：日常生活中我们经常遇到超、失重现象，例如乘电梯.下面由老师来描述升降电梯的运动状态，请同学们快速做出判断，说明电梯中的人或物处于超重还是失重状态.

师：减速下降.

生：加速度向上，超重.

师：电梯加速上升.

生：加速度向上，超重.

师：电梯加速下降.

生：加速度向下，失重.

师：减速上升.

生：加速度向下，失重.

师：电梯匀速上升.

生：加速度为0，既不超重也不失重.

教学中教师要强调：判断物体超重、失重的关键在于弄清加速度方向，与运动方向无关.

3.4运用DIS实验，描绘图像，剖析过程

师：我们再从另一个角度来观察超重、失重.利用DIS实验装置做提砝码的实验，通过传感器和电脑来记录拉力随时间变化的图像.想一想，图像可能是什么样子的？

图2

教学中请学生把上提过程的F-t图像画在草稿纸上，然后找一两个有代表性的投影到屏幕上.如有学生画出如图2的图像，请学生说明这样画的理由.然后通过大屏幕看一下是否真是如此，激发学生的好奇心和求知欲.

师：图3是DIS实验得到的图像，前后两段分别对应上提和向下运动.比较可知，发生超、失重时，拉力F的数值并不是恒定的，而是变化的，这是为什么呢？

生：说明运动过程中加速度a的大小不是恒定的，是变化的，所以发生超、失重时，“超”、“失”的数值不同.

3.5利用“喷水”实验，激发兴趣，突破难点

师：现在我们已经清楚，加速度向上出现超重现象，加速度向下出现失重现象，这里还有一种特殊的情况要介绍.发生失重时，由前面的推导知：FT=mg-ma，若运动物体的加速度恰好等于重力加速度g，则有：FT=mg-mg=0，此时物体对支持物、悬挂物完全没有作用力，也就是弹力消失了，这种状态被称为“完全失重”状态.大家发挥一下想象力，完全失重将是怎样一种情景呢？我们做一个实验来看看.

实验演示：事先用保鲜袋装半袋水扎好袋口，准备三袋.用牙签戳一个小洞，水喷射出来.用手指捂住，水为什么会喷出来？

生：洞口的水受到上方水的挤压.

师：这是什么性质的力？

生：弹力.

师：如果我突然松手，让水袋自由下落时，会发生什么现象？想一想，为什么会这样？

由于下落时间较短，实验时要提醒学生注意观察.操作时，可以在水袋上多戳些小洞，便于各个角度的学生看清楚，同时可以站到凳子上释放，延长下落时间，地上放置水桶接水，可做两次.实验现象：水袋自由下落时水不再喷射出来.

生：下落时袋中的水处于完全失重状态，上方的水对洞口水的压力变为零，水就出不来了.

师：(再拿出一个水袋来)如果这个水袋是人的心脏，想象一下，完全失重时会怎么样？这个时候头朝上与头朝下感觉有什么不同吗？

生：感觉不出来，血液不会在重力作用下自动往下流，完全靠心脏搏动.

师：所以当记者问杨利伟“升天”过程中什么时候最难受，杨利伟回答是“入轨时”，人有一种“错觉”.这正是处于完全失重状态，那时已经分不清上下了，对心脏是极大的考验.

师：大家再想一想，“神舟号”起飞的时候，宇航员又是什么感受？

生：宇航员处于超重状态，要承受几倍于自身体重的压力，一般人可吃不消.所以火箭起飞时不能坐着，只能老老实实地躺下来.可见，要成为一名宇航员必须有过人的身体素质并且要经过长期刻苦的训练.

4.6利用“举重”问题，强化知识，提高能力

例：如图4所示，某人在地面上最多只能举起60kg的物体，那么他在以a=2.5m/s2的加速度匀加速下降的电梯里，最多能举多重的物体？

师：“举60kg”是什么意思？是什么力？

生：人产生的支持力最多是600N.

师：此人可能举得更多一点吗？

生：可能，失重情况下可能.

师：取什么作为研究对象？

4　教学反思

“超重和失重”是高一物理的重要内容，在各种教学比赛或公课中也常作为课题被选用.其教学大都是围绕如何改进实验、直观感受超重和失重现象展开.在内容的编排、衔接及详略等方面，笔者作了精心设计，并在市评优课上展示，得到师生们的一致好评.具体特点如下：

(1) 在课题引入阶段，利用简单器材设计的实验，在很短的时间里，有效地提炼出本课的主题，并紧紧抓住问题的关键——加速度进行理论分析，揭示要点，突出本质.

笔者注意到，很多同类教学设计在引入时往往先罗列实验现象，然后花大量时间从运动学角度分类归纳得出结论.这样容易把学生搞糊涂，对于超、失重的判断依据，是速度方向还是加速度方向，不能建立直接而明确的认识.

(2) 优化实验教学，注重学生动手、动脑，并注意演示实验的“可视性”.有的教师准备了不错的实验，但课堂效果一般，很重要的一个原因是演示时学生“看不清楚”.因此，在设计实验时笔者充分注意到这一点，比如，用水袋做喷水实验，而不是用矿泉水瓶，因为水袋可以现场戳洞，而且可以多戳一些洞，水从各个方向喷射出来，便于学生观察.

(3) 合理安排各个实验的“出场”顺序，文中可以看出这种设计的目的，笔者不刻意追求实验多，而是立足于不同的角度来选取需要的实验，给学生呈现立体的物理现象.同时，实验也把整堂课串联起来，抽丝剥茧、层层推进，展现出课堂教学的“层次”感.

(4) 注重创设问题情境，激发疑问，有效导学.突出学生主体特征，在学生原有知识结构的基础上，通过情景、问题、实验、体验、自主、交流等教学元素，注重探究式学习过程，紧扣课程标准要求，达成预定的三维教学目标.

最后还要说明的是，笔者在设计时要突出的是牛顿运动定律的应用，力求把超重和失重讲得“平常”、“简约”，而不是让学生感觉“玄乎”、“高深”，这样的基调既有利于帮助学生用已学知识解决实际问题，学以致用，同时从心理层面讲也有利于增加学生对物理知识的亲切感，提高他们的学习兴趣.

黄书鹏.“超重”与“失重”概念教学引发的思考[J].中学物理教学参考，2014，(5).

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