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).

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