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.

1　重、難點分析

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　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　教學(xué)過程

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？

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).

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