文| 馬小峰

【教學背景】

以超重和失重為例，通過實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析，幫助學生建立質(zhì)量、引力和支持力之間的關(guān)系，同時鍛煉其科學思維和團隊協(xié)作能力。在核心素養(yǎng)的指導(dǎo)下，強調(diào)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力以及將理論知識應(yīng)用于實際問題的能力。本次教學旨在激發(fā)學生對物理學科的興趣，培養(yǎng)他們的實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析能力，使其能夠更好地理解和掌握物理學的基本原理，并將這些知識運用于實際生活和學習中。

【教學目標】

學生將深入理解超重和失重的物理概念，具體包括對物體在不同引力場中質(zhì)量的變化原因的理解，以及如何應(yīng)用牛頓第二定律解釋這些現(xiàn)象。通過教學，學生將鞏固對質(zhì)量、引力和支持力的關(guān)系的基礎(chǔ)，能夠靈活運用相關(guān)知識解決實際問題。

學生將通過實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)收集和分析，培養(yǎng)實踐操作能力、科學思維和問題解決能力。實驗操作包括使用彈簧測力計等工具，學生運用數(shù)據(jù)分析軟件處理實驗數(shù)據(jù)，繪制關(guān)系圖，從而加深對實驗結(jié)果的理解，并得出科學的結(jié)論。

培養(yǎng)學生對科學的濃厚興趣和熱愛，通過實驗設(shè)計和操作體驗科學的探索過程，激發(fā)學生對物理學科的獨特興趣。此外，通過小組合作和討論，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作和溝通能力，讓他們在共同努力中體驗學科合作的樂趣。

【教學內(nèi)容】

理論知識：

①超重和失重的概念。②質(zhì)量、重力和支持力之間的關(guān)系。③牛頓第二定律的應(yīng)用。

實驗內(nèi)容：

①利用彈簧測力計測定物體的質(zhì)量。②在不同引力場中測定物體的質(zhì)量，分析超重和失重的原因。③通過實驗驗證牛頓第二定律。

【教學過程】

一、導(dǎo)入

為了激發(fā)學生學科興趣，教師可通過展示太空探測器在不同引力場中運動的視頻或圖片，引起學生對超重和失重的好奇心。

將班級學生分成4 個大組，每個大組派出1 個代表，輪番在事先準備好的體重計上向下蹲，提問：在下蹲的過程中你們有什么發(fā)現(xiàn)？

學生回答：體重計的示數(shù)先變小，后變大，再變小，當人靜止后，保持某一數(shù)值不變。

進一步提問：為什么體重計測量的“體重”一直發(fā)生變化，難道真的是我們的重量在變化嗎？造成這種現(xiàn)象的原因又是什么呢？——引入新課“超重和失重”。隨后，教師提出問題：在地球和其他星球上，物體的質(zhì)量是否相同？引導(dǎo)學生思考這個問題的答案，并引入今天的學習主題。

二、理論知識講解與討論

（一）超重和失重的概念

超重和失重是在不同引力場中物體質(zhì)量表現(xiàn)出來的兩種現(xiàn)象。首先，我們來介紹超重的概念。當物體在較大質(zhì)量的天體表面，如地球上運動時，由于受到的引力增大，物體的真實質(zhì)量似乎比其在地球表面的質(zhì)量要大。這種現(xiàn)象被稱為超重。

以一個簡單的例子說明，假設(shè)一個質(zhì)量為m 的物體在地球表面的重力加速度為g，那么它在地球上受到的引力F可由公式F=mg 計算。如果將同一物體移到另一天體，該天體的引力加速度為g′，那么在這個天體上，物體的超重力F′可用公式F′=mg′計算?？梢钥闯觯嘏c物體所處的引力場有關(guān)。

接下來，我們轉(zhuǎn)向失重的概念。失重發(fā)生在物體離開引力場或受到的引力減小的情況下。例如，太空中的宇航員就會經(jīng)歷失重狀態(tài)。在失重狀態(tài)下，物體的質(zhì)量看似減小，因為受到的引力較小，所以物體相對于引力場的效應(yīng)降低。

（二）牛頓第二定律的應(yīng)用

牛頓第二定律是描述物體運動狀態(tài)變化的定律，可以用數(shù)學公式表示為F=ma，其中F為物體所受的凈外力，m為物體的質(zhì)量，a為物體的加速度。在超重和失重的情境下，我們可以應(yīng)用這一定律解釋物體在不同引力場中的行為。（PPT 呈現(xiàn)牛頓第二定律的內(nèi)容）

考慮一個物體在垂直方向上的運動，受到重力mg 和支持力N的作用。在超重情況下，支持力小于重力，即N＜mg，物體凈受力方向向下，導(dǎo)致物體產(chǎn)生向下的加速度。反之，在失重情況下，由于引力減小，支持力大于重力，即N＞mg，物體凈受力方向向上，導(dǎo)致物體產(chǎn)生向上的加速度。

通過應(yīng)用牛頓第二定律的數(shù)學表達式，我們可以用具體的數(shù)值計算來說明超重和失重的原理。

三、實驗設(shè)計與操作

實驗的設(shè)計和操作是鞏固理論知識、培養(yǎng)實踐能力的重要環(huán)節(jié)。通過本實驗，學生將有機會親身體驗超重和失重的現(xiàn)象，同時鍛煉實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)收集和分析的能力。

（一）實驗?zāi)康暮筒襟E介紹

首先，教師明確實驗?zāi)康模候炞C在不同引力場中物體的質(zhì)量是否發(fā)生變化，進而應(yīng)用牛頓第二定律解釋超重和失重現(xiàn)象。隨后，簡要介紹實驗步驟，確保學生對整個實驗過程有清晰的認識。

（二）小組合作設(shè)計實驗

學生分成小組，每組成員共同設(shè)計實驗方案。在實驗設(shè)計中，學生需要考慮以下幾個關(guān)鍵點：

1.如何測定物體的質(zhì)量？可以使用彈簧測力計等工具。

2.在不同引力場中，如何測定物體的質(zhì)量？需要設(shè)計在地球表面和另一個天體上（模擬失重狀態(tài)）的兩組實驗。

3.如何確保實驗的準確性和可重復(fù)性？注意實驗環(huán)境、儀器校準等方面的細節(jié)。

（三）實驗操作與數(shù)據(jù)收集

學生按照小組設(shè)計的方案進行實驗操作。首先，在地球表面測定物體的質(zhì)量，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。接著，通過模擬失重狀態(tài)，測定物體在不同引力場中的質(zhì)量，同樣記錄實驗數(shù)據(jù)。這一過程需要小組成員協(xié)作，確保實驗操作的流暢性和數(shù)據(jù)的準確性。

（四）數(shù)據(jù)分析和討論

學生在小組內(nèi)討論實驗結(jié)果，分析超重和失重的原因，并試圖用數(shù)學公式解釋實驗數(shù)據(jù)。這一環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學生對實驗結(jié)果的深入理解和科學推理的能力。教師可以通過提問引導(dǎo)學生思考，促進他們能透徹理解物理學概念。

通過這一實驗設(shè)計與操作的過程，學生將親身體驗理論知識在實際中的應(yīng)用，培養(yǎng)實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析的能力。同時，小組合作讓學生在團隊中分享思考和解決問題的經(jīng)驗，提高團隊協(xié)作和溝通水平。在實驗操作中，教師要及時給予指導(dǎo)和反饋，確保學生能夠全面理解超重和失重的概念，并能運用牛頓第二定律解釋這些現(xiàn)象。

四、總結(jié)與歸納

（一）超重和失重的總結(jié)

超重和失重是物體在不同引力場中表現(xiàn)出的兩種現(xiàn)象。在地球表面，物體由于受到引力的作用，真實質(zhì)量看似變得更大，這被稱為超重。相反，在失重狀態(tài)下，物體離開引力場或受到的引力減小，導(dǎo)致物體質(zhì)量看似減小，即失重狀態(tài)。這兩種現(xiàn)象是牛頓力學中質(zhì)量、引力和支持力相互作用的結(jié)果。

（二）實驗數(shù)據(jù)分析與歸納

通過實驗數(shù)據(jù)的分析，我們可以觀察到在不同引力場中物體的質(zhì)量變化。在地球表面，物體受到較大的引力，支持力小于重力，導(dǎo)致物體產(chǎn)生向下的加速度，即超重狀態(tài)。相反，在失重狀態(tài)下，支持力大于重力，導(dǎo)致物體產(chǎn)生向上的加速度。這與牛頓第二定律的應(yīng)用一致。

我們可以用公式F=ma來描述物體在不同引力場中的運動。在超重狀態(tài)下，F(xiàn)為物體的凈受力，m為物體的質(zhì)量，a為加速度。而在失重狀態(tài)下，F(xiàn)的方向相反，即F=-ma，表示物體產(chǎn)生向上的加速度。

（三）思考與拓展

1.如何在太空探測器設(shè)計中應(yīng)用這些概念？

2.超重和失重對人類在外太空的活動有哪些影響？

五、拓展延伸與作業(yè)

（一）撰寫科普文章

要求學生以超重和失重為主題，撰寫一篇科普文章。文章應(yīng)包括對超重和失重的概念解釋、實驗過程的描述、實驗結(jié)果的分析和對科學背景的深入思考。這項作業(yè)能培養(yǎng)學生科學文獻撰寫的能力，提高其對所學知識的整合水平。

（二）設(shè)計物體質(zhì)量變化模型

要求學生設(shè)計一個模型，模擬在不同引力場中物體的質(zhì)量變化，可以使用各種材料，包括圖紙、彈簧、小球等。學生需要解釋模型的設(shè)計原理，并演示模型在不同引力場中的運動狀態(tài)。

【教學評價】

見文末表1。

【總結(jié)】

本教學設(shè)計以核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理為基礎(chǔ)，以超重和失重為例展開，通過理論知識講解、實驗設(shè)計與操作、總結(jié)與歸納、拓展延伸與作業(yè)等環(huán)節(jié)，全面培養(yǎng)學生的實踐、思維和團隊協(xié)作能力。學生通過實驗深入理解超重和失重現(xiàn)象，同時應(yīng)用牛頓第二定律解釋實驗結(jié)果。拓展延伸任務(wù)設(shè)計富有特色，如太空探測器設(shè)計、失重狀態(tài)下的影響等，旨在引導(dǎo)學生將所學知識應(yīng)用于實際情境，并通過科普文章、物體質(zhì)量變化模型設(shè)計等任務(wù)培養(yǎng)其創(chuàng)新思維。評價體系兼顧知識水平、實驗?zāi)芰?、團隊協(xié)作、創(chuàng)新思維等多個方面，旨在全面了解學生的學科水平及核心素養(yǎng)發(fā)展情況。通過教學，學生不僅能深刻理解物理學科，更能培養(yǎng)其實踐操作、團隊協(xié)作和創(chuàng)新思維等綜合素養(yǎng)，為未來學科學習和職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。