陳志偉
(江蘇省無錫市輔仁高級中學(xué),江蘇 無錫 214123)
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簡約不簡單凸顯層次感——談“超重和失重”的教學(xué)設(shè)計
陳志偉
(江蘇省無錫市輔仁高級中學(xué),江蘇無錫214123)
本節(jié)課教學(xué)設(shè)計以實驗為主線,合理安排各個實驗的“出場”順序,注重創(chuàng)設(shè)問題情境,引起興趣,激發(fā)疑問.創(chuàng)新、優(yōu)化實驗教學(xué),訓(xùn)練學(xué)生動手、動腦,并注意提高演示實驗的“可視性”.將實驗探究與理論分析相結(jié)合,多角度、有層次地展開新課教學(xué).
超重和失重;教學(xué)設(shè)計;DIS實驗
本節(jié)課是在學(xué)完牛頓運動定律的基礎(chǔ)上,探索和研究超重和失重的問題.這不僅有利于學(xué)生對牛頓運動定律的深化理解,而且有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力.
超重和失重是我們生活中容易接觸到的物理現(xiàn)象,因此教學(xué)盡量貼近生活,從生活中來,到生活中去.教學(xué)過程中給學(xué)生提供動手實驗的機會,讓學(xué)生有切身的體會,同時也設(shè)置一些需要理論分析的問題,引發(fā)學(xué)生的思考和討論,加深學(xué)生對超、失重的理解,由感性認(rèn)識上升為理性認(rèn)識.
重點:發(fā)生超重、失重現(xiàn)象的條件及本質(zhì).
難點:(1) 運用牛頓運動定律對超重和失重現(xiàn)象的實例進行分析;
(2) 理解完全失重概念.
2.1知識與技能
(1) 知道超重和失重現(xiàn)象;
(2) 理解產(chǎn)生超重、失重現(xiàn)象的條件;
(3) 能夠運用牛頓運動定律分析超重和失重現(xiàn)象;
(4) 理解生活中的超重與失重現(xiàn)象,并能應(yīng)用所學(xué)知識分析解決相關(guān)問題.
2.2過程與方法
使學(xué)生掌握正確觀察超重和失重現(xiàn)象以及對實驗現(xiàn)象進行分析和歸納的方法;使學(xué)生體驗通過實驗和理論分析探究超重和失重現(xiàn)象的過程.
2.3情感態(tài)度與價值觀
激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的興趣和熱情,使他們了解一些航天知識.在自主實驗和逐步探究的學(xué)習(xí)過程中,培養(yǎng)細心觀察、勤于思考和勇于交流的學(xué)習(xí)品質(zhì).
3.1利用“彈簧秤提鉤碼”實驗,引入新課
師:前面同學(xué)們學(xué)習(xí)了用牛頓運動定律處理共點力平衡的問題,今天我們繼續(xù)用牛頓運動定律解決問題.
學(xué)生實驗:在彈簧秤下懸掛一個鉤碼,鉤碼靜止.
師:彈簧秤讀數(shù)表示什么意思?
生:鉤碼所受重力.
師:根據(jù)什么原理?
生:二力平衡.
師:如何使彈簧秤讀數(shù)變大?(結(jié)合肢體語言表示:不允許用另一只手向下拉鉤碼)
生:迅速向上提起.
師:向上運動讀數(shù)一定增大嗎?請大家繼續(xù)做實驗來判斷.
生:快要停下的時候,也會出現(xiàn)讀數(shù)變小.
師:對.向上提的過程中,為什么讀數(shù)會變大或變小呢?我們一起來分析.上升過程可以分為哪兩個階段?(初速為零,末速為零,中間速度不為零),這兩個階段的加速度如何?
如圖1所示,根據(jù)運動學(xué)規(guī)律分析出加速度方向后,利用牛頓第二定律進行理論分析.
如果彈簧秤向下運動呢?讀數(shù)如何變化?請同學(xué)們繼續(xù)做實驗.(這里可以類比上升過程,請學(xué)生自行完成分析)
這種讀數(shù)發(fā)生變大、變小的現(xiàn)象,就是今天我們要學(xué)習(xí)的“超重和失重”.請同學(xué)們一起閱讀課本上超、失重的概念,并結(jié)合圖1,總結(jié)超、失重條件:
圖1
(1) 發(fā)生超、失重時物體所受重力沒有變,變化的是拉力(或壓力),也就是彈力;
(2) 超重、失重與速度無關(guān),與加速度密切相關(guān):加速度向上,超重;加速度向下,失重.
3.2利用體重計實驗,解釋現(xiàn)象,類比模型
請一個男生到講臺上來演示,學(xué)生站到體重計上,做下蹲、起立動作時,其他同學(xué)注意觀察體體重計讀數(shù)變化(實物投影),并做好記錄.實驗現(xiàn)象為:下蹲時,體重計讀數(shù)先減小后增大;起立時,體重計讀數(shù)先增大后減小.
師:請大家思考體重計讀數(shù)變化的原因.
生:與“彈簧秤提鉤碼”實驗相似,下蹲過程先失重后超重,起立過程先超重后失重.
學(xué)生講到兩個實驗“相似”時,教師應(yīng)不失時機地說明“相似”的本質(zhì)是這兩個實驗的“物理模型”相同.
3.3利用電梯中的超、失重事例,引導(dǎo)學(xué)生快速判斷,突出主題
師:日常生活中我們經(jīng)常遇到超、失重現(xiàn)象,例如乘電梯.下面由老師來描述升降電梯的運動狀態(tài),請同學(xué)們快速做出判斷,說明電梯中的人或物處于超重還是失重狀態(tài).
師:減速下降.
生:加速度向上,超重.
師:電梯加速上升.
生:加速度向上,超重.
師:電梯加速下降.
生:加速度向下,失重.
師:減速上升.
生:加速度向下,失重.
師:電梯勻速上升.
生:加速度為0,既不超重也不失重.
教學(xué)中教師要強調(diào):判斷物體超重、失重的關(guān)鍵在于弄清加速度方向,與運動方向無關(guān).
3.4運用DIS實驗,描繪圖像,剖析過程
師:我們再從另一個角度來觀察超重、失重.利用DIS實驗裝置做提砝碼的實驗,通過傳感器和電腦來記錄拉力隨時間變化的圖像.想一想,圖像可能是什么樣子的?
圖2
教學(xué)中請學(xué)生把上提過程的F-t圖像畫在草稿紙上,然后找一兩個有代表性的投影到屏幕上.如有學(xué)生畫出如圖2的圖像,請學(xué)生說明這樣畫的理由.然后通過大屏幕看一下是否真是如此,激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲.
師:圖3是DIS實驗得到的圖像,前后兩段分別對應(yīng)上提和向下運動.比較可知,發(fā)生超、失重時,拉力F的數(shù)值并不是恒定的,而是變化的,這是為什么呢?
生:說明運動過程中加速度a的大小不是恒定的,是變化的,所以發(fā)生超、失重時,“超”、“失”的數(shù)值不同.
3.5利用“噴水”實驗,激發(fā)興趣,突破難點
師:現(xiàn)在我們已經(jīng)清楚,加速度向上出現(xiàn)超重現(xiàn)象,加速度向下出現(xiàn)失重現(xiàn)象,這里還有一種特殊的情況要介紹.發(fā)生失重時,由前面的推導(dǎo)知:FT=mg-ma,若運動物體的加速度恰好等于重力加速度g,則有:FT=mg-mg=0,此時物體對支持物、懸掛物完全沒有作用力,也就是彈力消失了,這種狀態(tài)被稱為“完全失重”狀態(tài).大家發(fā)揮一下想象力,完全失重將是怎樣一種情景呢?我們做一個實驗來看看.
實驗演示:事先用保鮮袋裝半袋水扎好袋口,準(zhǔn)備三袋.用牙簽戳一個小洞,水噴射出來.用手指捂住,水為什么會噴出來?
生:洞口的水受到上方水的擠壓.
師:這是什么性質(zhì)的力?
生:彈力.
師:如果我突然松手,讓水袋自由下落時,會發(fā)生什么現(xiàn)象?想一想,為什么會這樣?
由于下落時間較短,實驗時要提醒學(xué)生注意觀察.操作時,可以在水袋上多戳些小洞,便于各個角度的學(xué)生看清楚,同時可以站到凳子上釋放,延長下落時間,地上放置水桶接水,可做兩次.實驗現(xiàn)象:水袋自由下落時水不再噴射出來.
生:下落時袋中的水處于完全失重狀態(tài),上方的水對洞口水的壓力變?yōu)榱悖统霾粊砹?
師:(再拿出一個水袋來)如果這個水袋是人的心臟,想象一下,完全失重時會怎么樣?這個時候頭朝上與頭朝下感覺有什么不同嗎?
生:感覺不出來,血液不會在重力作用下自動往下流,完全靠心臟搏動.
師:所以當(dāng)記者問楊利偉“升天”過程中什么時候最難受,楊利偉回答是“入軌時”,人有一種“錯覺”.這正是處于完全失重狀態(tài),那時已經(jīng)分不清上下了,對心臟是極大的考驗.
師:大家再想一想,“神舟號”起飛的時候,宇航員又是什么感受?
生:宇航員處于超重狀態(tài),要承受幾倍于自身體重的壓力,一般人可吃不消.所以火箭起飛時不能坐著,只能老老實實地躺下來.可見,要成為一名宇航員必須有過人的身體素質(zhì)并且要經(jīng)過長期刻苦的訓(xùn)練.
4.6利用“舉重”問題,強化知識,提高能力
例:如圖4所示,某人在地面上最多只能舉起60kg的物體,那么他在以a=2.5m/s2的加速度勻加速下降的電梯里,最多能舉多重的物體?
師:“舉60kg”是什么意思?是什么力?
生:人產(chǎn)生的支持力最多是600N.
師:此人可能舉得更多一點嗎?
生:可能,失重情況下可能.
師:取什么作為研究對象?
“超重和失重”是高一物理的重要內(nèi)容,在各種教學(xué)比賽或公課中也常作為課題被選用.其教學(xué)大都是圍繞如何改進實驗、直觀感受超重和失重現(xiàn)象展開.在內(nèi)容的編排、銜接及詳略等方面,筆者作了精心設(shè)計,并在市評優(yōu)課上展示,得到師生們的一致好評.具體特點如下:
(1) 在課題引入階段,利用簡單器材設(shè)計的實驗,在很短的時間里,有效地提煉出本課的主題,并緊緊抓住問題的關(guān)鍵——加速度進行理論分析,揭示要點,突出本質(zhì).
筆者注意到,很多同類教學(xué)設(shè)計在引入時往往先羅列實驗現(xiàn)象,然后花大量時間從運動學(xué)角度分類歸納得出結(jié)論.這樣容易把學(xué)生搞糊涂,對于超、失重的判斷依據(jù),是速度方向還是加速度方向,不能建立直接而明確的認(rèn)識.
(2) 優(yōu)化實驗教學(xué),注重學(xué)生動手、動腦,并注意演示實驗的“可視性”.有的教師準(zhǔn)備了不錯的實驗,但課堂效果一般,很重要的一個原因是演示時學(xué)生“看不清楚”.因此,在設(shè)計實驗時筆者充分注意到這一點,比如,用水袋做噴水實驗,而不是用礦泉水瓶,因為水袋可以現(xiàn)場戳洞,而且可以多戳一些洞,水從各個方向噴射出來,便于學(xué)生觀察.
(3) 合理安排各個實驗的“出場”順序,文中可以看出這種設(shè)計的目的,筆者不刻意追求實驗多,而是立足于不同的角度來選取需要的實驗,給學(xué)生呈現(xiàn)立體的物理現(xiàn)象.同時,實驗也把整堂課串聯(lián)起來,抽絲剝繭、層層推進,展現(xiàn)出課堂教學(xué)的“層次”感.
(4) 注重創(chuàng)設(shè)問題情境,激發(fā)疑問,有效導(dǎo)學(xué).突出學(xué)生主體特征,在學(xué)生原有知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過情景、問題、實驗、體驗、自主、交流等教學(xué)元素,注重探究式學(xué)習(xí)過程,緊扣課程標(biāo)準(zhǔn)要求,達成預(yù)定的三維教學(xué)目標(biāo).
最后還要說明的是,筆者在設(shè)計時要突出的是牛頓運動定律的應(yīng)用,力求把超重和失重講得“平?!薄ⅰ昂喖s”,而不是讓學(xué)生感覺“玄乎”、“高深”,這樣的基調(diào)既有利于幫助學(xué)生用已學(xué)知識解決實際問題,學(xué)以致用,同時從心理層面講也有利于增加學(xué)生對物理知識的親切感,提高他們的學(xué)習(xí)興趣.
黃書鵬.“超重”與“失重”概念教學(xué)引發(fā)的思考[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2014,(5).
·實驗研究·