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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(jì)

        2016-08-24 02:55:58陳志偉
        物理之友 2016年7期
        關(guān)鍵詞:體重計(jì)運(yùn)動定律彈簧秤

        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(jì)

        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(jì)以實(shí)驗(yàn)為主線,合理安排各個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué),訓(xùn)練學(xué)生動手、動腦,并注意提高演示實(shí)驗(yàn)的“可視性”.將實(shí)驗(yàn)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(jì);DIS實(shí)驗(yàn)

        本節(jié)課是在學(xué)完牛頓運(yùn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)的機(jī)會,讓學(xué)生有切身的體會,同時(shí)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.

        1 重、難點(diǎn)分析

        重點(diǎn):發(fā)生超重、失重現(xiàn)象的條件及本質(zhì).

        難點(diǎn):(1) 運(yùn)用牛頓運(yùn)動定律對超重和失重現(xiàn)象的實(shí)例進(jìn)行分析;

        (2) 理解完全失重概念.

        2 教學(xué)目標(biāo)

        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(yùn)用牛頓運(yùn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析和歸納的方法;使學(xué)生體驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)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(jià)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(shí)驗(yàn)和逐步探究的學(xué)習(xí)過程中,培養(yǎng)細(xì)心觀察、勤于思考和勇于交流的學(xué)習(xí)品質(zhì).

        3 教學(xué)過程

        3.1利用“彈簧秤提鉤碼”實(shí)驗(yàn),引入新課

        師:前面同學(xué)們學(xué)習(xí)了用牛頓運(yùn)動定律處理共點(diǎn)力平衡的問題,今天我們繼續(xù)用牛頓運(yùn)動定律解決問題.

        學(xué)生實(shí)驗(yàn):在彈簧秤下懸掛一個(gè)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(yùn)動讀數(shù)一定增大嗎?請大家繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)來判斷.

        生:快要停下的時(shí)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(gè)階段?(初速為零,末速為零,中間速度不為零),這兩個(gè)階段的加速度如何?

        如圖1所示,根據(jù)運(yùn)動學(xué)規(guī)律分析出加速度方向后,利用牛頓第二定律進(jìn)行理論分析.

        如果彈簧秤向下運(yùn)動呢?讀數(shù)如何變化?請同學(xué)們繼續(xù)做實(shí)驗(yàn).(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(shí)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(jì)實(shí)驗(yàn),解釋現(xiàn)象,類比模型

        請一個(gè)男生到講臺上來演示,學(xué)生站到體重計(jì)上,做下蹲、起立動作時(shí),其他同學(xué)注意觀察體體重計(jì)讀數(shù)變化(實(shí)物投影),并做好記錄.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為:下蹲時(shí),體重計(jì)讀數(shù)先減小后增大;起立時(shí),體重計(jì)讀數(shù)先增大后減小.

        師:請大家思考體重計(jì)讀數(shù)變化的原因.

        生:與“彈簧秤提鉤碼”實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)“相似”時(shí),教師應(yīng)不失時(shí)機(jī)地說明“相似”的本質(zhì)是這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(qiáng)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(yùn)動方向無關(guān).

        3.4運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn),描繪圖像,剖析過程

        師:我們再從另一個(gè)角度來觀察超重、失重.利用DIS實(shí)驗(yàn)裝置做提砝碼的實(shí)驗(yàn),通過傳感器和電腦來記錄拉力隨時(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)得到的圖像,前后兩段分別對應(yīng)上提和向下運(yùn)動.比較可知,發(fā)生超、失重時(shí),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(yùn)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(shí),“超”、“失”的數(shù)值不同.

        3.5利用“噴水”實(shí)驗(yàn),激發(fā)興趣,突破難點(diǎn)

        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(shí),由前面的推導(dǎo)知:FT=mg-ma,若運(yùn)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(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)來看看.

        實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí),會發(fā)生什么現(xiàn)象?想一想,為什么會這樣?

        由于下落時(shí)間較短,實(shí)驗(yàn)時(shí)要提醒學(xué)生注意觀察.操作時(shí),可以在水袋上多戳些小洞,便于各個(gè)角度的學(xué)生看清楚,同時(shí)可以站到凳子上釋放,延長下落時(shí)間,地上放置水桶接水,可做兩次.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:水袋自由下落時(shí)水不再噴射出來.

        生:下落時(shí)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(gè)水袋來)如果這個(gè)水袋是人的心臟,想象一下,完全失重時(shí)會怎么樣?這個(gè)時(shí)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(shí)候最難受,楊利偉回答是“入軌時(shí)”,人有一種“錯(cuò)覺”.這正是處于完全失重狀態(tài),那時(shí)已經(jīng)分不清上下了,對心臟是極大的考驗(yàn).

        師:大家再想一想,“神舟號”起飛的時(shí)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(shí)不能坐著,只能老老實(shí)實(shí)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(qiáng)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(diǎn)嗎?

        生:可能,失重情況下可能.

        師:取什么作為研究對象?

        4 教學(xué)反思

        “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(jìn)實(shí)驗(yàn)、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(jì),并在市評優(yōu)課上展示,得到師生們的一致好評.具體特點(diǎn)如下:

        (1) 在課題引入階段,利用簡單器材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn),在很短的時(shí)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(jìn)行理論分析,揭示要點(diǎn),突出本質(zhì).

        筆者注意到,很多同類教學(xué)設(shè)計(jì)在引入時(shí)往往先羅列實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,然后花大量時(shí)間從運(yùn)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(shí)驗(yàn)教學(xué),注重學(xué)生動手、動腦,并注意演示實(shí)驗(yàn)的“可視性”.有的教師準(zhǔn)備了不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn),但課堂效果一般,很重要的一個(gè)原因是演示時(shí)學(xué)生“看不清楚”.因此,在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)筆者充分注意到這一點(diǎn),比如,用水袋做噴水實(shí)驗(yàn),而不是用礦泉水瓶,因?yàn)樗梢袁F(xiàn)場戳洞,而且可以多戳一些洞,水從各個(gè)方向噴射出來,便于學(xué)生觀察.

        (3) 合理安排各個(gè)實(shí)驗(yàn)的“出場”順序,文中可以看出這種設(shè)計(jì)的目的,筆者不刻意追求實(shí)驗(yàn)多,而是立足于不同的角度來選取需要的實(shí)驗(yàn),給學(xué)生呈現(xiàn)立體的物理現(xiàn)象.同時(shí),實(shí)驗(yàn)也把整堂課串聯(lián)起來,抽絲剝繭、層層推進(jìn),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(shí)驗(yàn)、體驗(yàn)、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(dá)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(jì)時(shí)要突出的是牛頓運(yùn)動定律的應(yīng)用,力求把超重和失重講得“平常”、“簡約”,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(shí)際問題,學(xué)以致用,同時(shí)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(shí)驗(yàn)研究·

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