陳志偉

(江蘇省無錫市輔仁高級中學,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”的教學設計

陳志偉

(江蘇省無錫市輔仁高級中學,江蘇無錫214123)

本節(jié)課教學設計以實驗為主線，合理安排各個實驗的“出場”順序，注重創(chuàng)設問題情境，引起興趣，激發(fā)疑問.創(chuàng)新、優(yōu)化實驗教學，訓練學生動手、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合，多角度、有層次地展開新課教學.

超重和失重；教學設計；DIS實驗

本節(jié)課是在學完牛頓運動定律的基礎上，探索和研究超重和失重的問題.這不僅有利于學生對牛頓運動定律的深化理解，而且有助于培養(yǎng)學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象，因此教學盡量貼近生活，從生活中來，到生活中去.教學過程中給學生提供動手實驗的機會，讓學生有切身的體會，同時也設置一些需要理論分析的問題，引發(fā)學生的思考和討論，加深學生對超、失重的理解，由感性認識上升為理性認識.

1　重、難點分析

重點：發(fā)生超重、失重現象的條件及本質.

難點：(1) 運用牛頓運動定律對超重和失重現象的實例進行分析；

(2) 理解完全失重概念.

2　教學目標

2.1知識與技能

(1) 知道超重和失重現象;

(2) 理解產生超重、失重現象的條件;

(3) 能夠運用牛頓運動定律分析超重和失重現象;

(4) 理解生活中的超重與失重現象,并能應用所學知識分析解決相關問題.

2.2過程與方法

使學生掌握正確觀察超重和失重現象以及對實驗現象進行分析和歸納的方法;使學生體驗通過實驗和理論分析探究超重和失重現象的過程.

2.3情感態(tài)度與價值觀

激發(fā)學生對科學的興趣和熱情,使他們了解一些航天知識.在自主實驗和逐步探究的學習過程中,培養(yǎng)細心觀察、勤于思考和勇于交流的學習品質.

3　教學過程

3.1利用“彈簧秤提鉤碼”實驗，引入新課

師：前面同學們學習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.

學生實驗：在彈簧秤下懸掛一個鉤碼，鉤碼靜止.

師：彈簧秤讀數表示什么意思？

生：鉤碼所受重力.

師：根據什么原理？

生：二力平衡.

師：如何使彈簧秤讀數變大？(結合肢體語言表示：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，也會出現讀數變小.

師：對.向上提的過程中，為什么讀數會變大或變小呢？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，根據運動學規(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？讀數如何變化？請同學們繼續(xù)做實驗.(這里可以類比上升過程，請學生自行完成分析)

這種讀數發(fā)生變大、變小的現象，就是今天我們要學習的“超重和失重”.請同學們一起閱讀課本上超、失重的概念，并結合圖1，總結超、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，與加速度密切相關：加速度向上，超重；加速度向下，失重.

3.2利用體重計實驗，解釋現象，類比模型

請一個男生到講臺上來演示，學生站到體重計上，做下蹲、起立動作時，其他同學注意觀察體體重計讀數變化(實物投影)，并做好記錄.實驗現象為：下蹲時，體重計讀數先減小后增大；起立時，體重計讀數先增大后減小.

師：請大家思考體重計讀數變化的原因.

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.

學生講到兩個實驗“相似”時，教師應不失時機地說明“相似”的本質是這兩個實驗的“物理模型”相同.

3.3利用電梯中的超、失重事例，引導學生快速判斷，突出主題

師：日常生活中我們經常遇到超、失重現象，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.

教學中教師要強調：判斷物體超重、失重的關鍵在于弄清加速度方向，與運動方向無關.

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

教學中請學生把上提過程的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.如有學生畫出如圖2的圖像，請學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，前后兩段分別對應上提和向下運動.比較可知，發(fā)生超、失重時，拉力F的數值并不是恒定的，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”的數值不同.

3.5利用“噴水”實驗，激發(fā)興趣，突破難點

師：現在我們已經清楚，加速度向上出現超重現象，加速度向下出現失重現象，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并且要經過長期刻苦的訓練.

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？

4　教學反思

“超重和失重”是高一物理的重要內容，在各種教學比賽或公課中也常作為課題被選用.其教學大都是圍繞如何改進實驗、直觀感受超重和失重現象展開.在內容的編排、銜接及詳略等方面，筆者作了精心設計，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鍵——加速度進行理論分析，揭示要點，突出本質.

筆者注意到，很多同類教學設計在引入時往往先羅列實驗現象，然后花大量時間從運動學角度分類歸納得出結論.這樣容易把學生搞糊涂，對于超、失重的判斷依據，是速度方向還是加速度方向，不能建立直接而明確的認識.

(2) 優(yōu)化實驗教學，注重學生動手、動腦，并注意演示實驗的“可視性”.有的教師準備了不錯的實驗，但課堂效果一般，很重要的一個原因是演示時學生“看不清楚”.因此，在設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，給學生呈現立體的物理現象.同時，實驗也把整堂課串聯(lián)起來，抽絲剝繭、層層推進，展現出課堂教學的“層次”感.

(4) 注重創(chuàng)設問題情境，激發(fā)疑問，有效導學.突出學生主體特征，在學生原有知識結構的基礎上，通過情景、問題、實驗、體驗、自主、交流等教學元素，注重探究式學習過程，緊扣課程標準要求，達成預定的三維教學目標.

最后還要說明的是，筆者在設計時要突出的是牛頓運動定律的應用，力求把超重和失重講得“平?！?、“簡約”，而不是讓學生感覺“玄乎”、“高深”，這樣的基調既有利于幫助學生用已學知識解決實際問題，學以致用，同時從心理層面講也有利于增加學生對物理知識的親切感，提高他們的學習興趣.

黃書鵬.“超重”與“失重”概念教學引發(fā)的思考[J].中學物理教學參考，2014，(5).

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