資源簡介

教學設計
課 題 超重和失重
課時安排 1課時 課前準備 制作PPT、準備演示實驗
教材內容 分 析 《超重和失重》是人教版2019高中物理必修一中的最后一節內容，是在學習了牛頓運動定律的基礎上，對超重和失重展開的一次主題探究活動，并且與前面的內容構成了完整的動力學體系。 教材中首先通過情境引入，人站在體重秤上下蹲，觀察體重秤的示數變化，引出物體重力的測量問題。但在實際操作中，體重秤的示數變化太快，且示數變化復雜，不利于學生觀察和理解。因此，選擇更容易觀察且相對單一的現象來引入課題，就顯得尤為重要。 此外，教材中基于學生的日常經驗，重點在于應用牛頓第二定律等理論，推導超重和失重的條件，沒有突出學生通過科學實踐過程來認識和理解超重、失重現象，并不利于物理學科核心素養的形成。
設計理念 本節課通過PPT呈現中國宇航員在空間站中的生活狀態；課件中播放電梯上行、下降過程中，觀察電子秤示數變化的實驗視頻，并簡明扼要地展示了過程分析的關鍵步驟，分別從力學、運動學的角度進行分析，應用牛頓第二定律將力和運動聯系起來；利用手機自帶的傳感器，使用Phyphox軟件，得到加速度隨時間的變化圖象。同時，采用學生分組實驗和教師演示實驗等，引導學生設計實驗方案，學會分析實驗方案的優、缺點，將理論推導和實驗現象結合起來，二者相互交融、共同促進、反復驗證，充分調動學生學習的積極性，發揮學生的主體作用，自主總結出超重和失重狀態所對應的力學特征及運動學特征。
學情分析 本階段的學生已經學習了運動分析、受力分析和牛頓運動定律等知識，并且對生活中的超重和失重現象也有一定的感性認識。同時，具有一定的動手實驗能力、觀察分析能力和總結歸納能力。但是利用數理知識解決問題的能力尚未發展成熟。
教學目標 物理觀念 掌握超重和失重的概念及產生原因，完善運動與相互作用的物理觀念。 科學思維 能夠運用牛頓運動定律分析超重和失重現象，建構超重和失重的物理模型。 科學探究 經歷一系列實驗情景和實驗探究，體會由現象到本質的認識規律的過程，培養學生的分析、觀察、動手能力。 科學態度與責任 通過學習本節課知識，體會物理與生產生活的密切聯系，培養學生勇于探索的精神和嚴謹求實的科學態度。
教學重難點 教學重點： ① 知道超重和失重的概念； ② 理解產生超重和失重的條件和本質； ③ 會分析解決超重和失重的實際問題。 2. 教學難點： ① 探究產生超重和失重現象的原因； ② 學會應用牛頓運動定律解決實際問題的方法。
教學過程
教學環節（一） 師生活動 播放課件中的視頻，引導學生觀察中國宇航員在空間站中的生活狀態，并向學生提出兩個思考問題： ① 為什么在空間站中宇航員和衣服能夠自由漂浮？ 預設回答：它們都處于失重狀態。 ② 火箭起飛時，厚重的宇航服有什么作用？ 預設回答：抗壓、保護、緩沖作用…… 教師追問：抗什么壓？大氣壓還是……？宇航員可能受到的傷害從何而來？
設計意圖 通過視頻展示中國宇航員在空間站中的生活狀態，引導學生思考兩個問題，想要科學地解釋這兩個問題，就要一起進入今天超重和失重的學習。
教學環節（二） 師生活動 重力的測量 教師提問：有哪些方法可以測量物體的重力？ 預設回答： 根據重力的計算公式G = mg，先用天平稱量出物體的質量m，再利用打點計時器，使物體拖著紙帶自由下落，然后計算出當地的重力加速度g，即可求得該物體的重力G。 用彈簧測力計或壓力秤測量物體的重力，測量原理是二力平衡，所以待系統平衡時，彈簧測力計或壓力秤的示數就是物體的重力大小。
設計意圖 帶領學生回憶初中階段所學的測量重力的方法，逐步引導學生思考彈簧測力計或壓力秤的示數所代表的物理含義，即彈簧測力計受到的拉力大小或物體對壓力秤臺面的壓力大小，并不就是物體的重力，同時引入“視重”和“實重”的概念，自然地銜接初、高中的內容。
教學環節 （三） 師生活動 教師預先準備好數根紙帶和相應數量的鉤碼，在接近紙帶下方大約5 mm處用筆尖戳開一個小洞，將一個50 g鉤碼的掛鉤從洞中穿過并懸掛起來，此時紙帶能夠提起鉤碼并使其保持靜止狀態。 將對應的實驗裝置分發給學生，由學生提起紙帶后，引導學生跟著教師操作——將紙帶迅速向上提起，速度越快越好，教師與此同時進行演示。 實驗現象：將紙帶迅速向上提起時，發現紙帶下端斷裂，鉤碼掉下。 教師提問：原本紙帶能夠提起鉤碼并使其保持靜止狀態，說明紙帶是能夠承受鉤碼的重力的，但是為什么我們將紙帶迅速向上提起之后，紙帶會斷裂呢？ 引導學生回答出“紙帶受到力的作用”。 教師帶領學生進行受力分析，首先分析初始狀態時鉤碼的受力情況（T = mg），利用牛頓第三定律說明紙帶受到的拉力大小T’ = T = mg，再對紙帶斷裂時受到的拉力大小進行分析，即T’ ＞ mg，從而引入超重的概念。 超重：物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）大于物體所受重力的現象。 （板書內容）F壓（T’）＞ mg 進行類比得出失重的概念——物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）小于物體所受重力的現象。 （板書內容）F壓（T’）＜ mg
設計意圖 通過紙帶游戲，對紙帶斷裂的原因進行分析，利用牛頓定律，從力的角度給出超重和失重的概念。
教學環節 （四） 師生活動 引導學生回憶生活中有關超重、失重的體驗，例如：蹦極、大擺錘、跳樓機、電梯等…… 從生活中最為普遍的超重、失重現象——電梯入手，帶領學生一起探究電梯中的超重失重現象。 教師提問：如何設計一個實驗方案來探究電梯中的超重、失重現象呢？ 預設回答：彈簧測力計懸掛物體、電子秤上放置物體……通過讀出彈簧測力計或電子秤的示數，并將示數與物體的重力大小進行比較，從而判斷物體處于超重狀態還是失重狀態。
設計意圖 引導學生根據超重、失重的概念設計實驗方案，分析彈簧測力計或電子秤示數所代表的物理含義——彈簧測力計受到的拉力大小或物體對電子秤臺面的壓力大小。
教學環節 （五） 師生活動 教師播放課件中電梯上升過程的實驗視頻，引導學生注意觀察電子秤的示數變化情況。 預設回答：電子秤的示數先由83.7變大至94.1，之后恢復到83.5，再變小到73.5，最后恢復為83.7. 教師提問：電梯上升的過程可以分為幾個運動階段？ 預設回答：三個運動階段，即電梯先向上加速，再向上勻速，最后向上減速為零。 引導學生從理論上分析各個運動階段物體的受力情況、運動情況及依次對應的超重、平衡和失重狀態，學會利用牛頓第二定律將運動學和力學聯系起來，對物體進行受力分析，并利用牛頓第三定律說明FN = F壓，再列出相應的牛頓第二定律方程，最后得出超重、失重狀態所對應的運動學特征。 與此同時，也能夠鞏固“判斷做直線運動的物體加、減速的依據”，即：加速度a與v同向，物體做加速直線運動；加速度a與v反向，物體做減速直線運動。 引導學生對超重、失重狀態的運動學特征進行總結，物體處于超重狀態還是失重狀態，與物體的加速度方向有關——加速度a向上時，物體處于超重狀態；加速度a向下時，物體處于失重狀態，而與物體的運動方向無關。
設計意圖 通過播放電梯上行過程中的視頻，觀察電子秤的示數變化情況，從而判斷物體是處于超重狀態、平衡狀態，還是失重狀態，再引導學生先將電梯上行過程拆解為三個階段，從理論上分析各個運動階段物體的受力情況和運動情況，學會利用牛頓第二定律將力和運動聯系起來，總結得出超重、失重狀態所對應的運動學特征，同時，也能夠鞏固“判斷做直線運動的物體加、減速的依據”。
教學環節（六） 師生活動 教師提問：電梯下降的過程又可以分為哪幾個運動階段呢？ 預設回答：三個運動階段，即電梯先向下加速，再向下勻速，最后向下減速至零。 引導學生利用“判斷做直線運動的物體加、減速的依據”，從理論上分析各個階段所對應的加速度方向，并與電梯上升過程中的三個階段進行一一對應，判斷物體在各階段依次處于失重、平衡、超重狀態，猜想此時電子秤示數的變化情況。 教師播放課件中電梯下降過程的實驗視頻，引導學生注意觀察電子秤的示數變化情況，利用實驗驗證理論分析是否正確，并整理、復述實驗現象及物體的對應狀態。 引導學生對超重、失重狀態對應的運動學特征進行更為系統的總結，即：物體處于超重狀態時，加速度a向上（兩種情況：向上加速和向下減速）；物體處于失重狀態時，加速度a向下（兩種情況：向上減速和向下加速），此時教師進行板書。
設計意圖 先引導學生先將電梯上行過程拆解為三個階段，利用“判斷做直線運動的物體加、減速的依據”，從理論上分析各個運動階段所對應的加速度方向，并與電梯上升過程中的三個階段進行一一對應，判斷物體在各階段依次處于失重、平衡、超重狀態，猜想此時電子秤示數的變化情況，再播放課件中電梯下降過程的實驗視頻，利用實驗驗證理論分析是否正確，最后對超重、失重狀態對應的運動學特征進行系統總結。
教學環節（七） 師生活動 教師提問：除了在電梯里，我們在地面上會不會有超重失重現象呢？ 預設回答：下蹲和起立。 教師提問：如何設計一個實驗方案來探究下蹲、起立過程中的超重失重現象呢？ 預設回答：人站在體重秤上蹲下、起立，通過觀察體重秤指針的擺動情況，從而判斷出人處于超重狀態還是失重狀態。 引導學生分析實驗方案中存在的困難——下蹲和起立是一個非常迅速的過程，這會導致體重秤指針的擺動也非常迅速，難以準確地觀察到實驗現象。此時教師向學生介紹手機自帶的傳感器，利用Phyphox軟件進行實驗探究，邀請一名學生上臺，手持平板完成下蹲和起立的過程，將測量所得的加速度隨時間變化的圖象實時投屏。 教師帶領學生分析實驗所得的加速度隨時間變化的圖象。下蹲過程中，人的加速度a先向下，再向上，說明人先處于失重狀態，后處于超重狀態；起立過程中，人的加速度a先向上，再向下，說明人先處于超重狀態，后處于失重狀態。 引導學生從理論上對下蹲、起立過程進行分析，即下蹲過程可分為兩個運動階段——人先向下加速，后向下減速，即加速度a先向下，再向上，所以人先失重，后超重；起立過程也可分為兩個運動階段——人先向上加速，后向上減速，即加速度a先向上，再向下，所以人先超重，后失重。
設計意圖 引導學生根據超重、失重的概念設計實驗方案，并對實驗方案進行分析和評估，利用手機自帶的傳感器，測得加速度隨時間變化的圖象，帶領學生分析圖象中的加速度方向，以及人所處的狀態，再將下蹲、起立的過程拆分為兩個運動階段，從運動學的角度對加速度的方向進行分析，進一步驗證實驗結果。
教學環節（八） 師生活動 問題：若電梯以加速度g向下做勻加速直線運動時，求人對電梯的壓力為多大？ 該題屬于牛頓第二定律的簡單應用，學生需要牢記牛頓第二定律是連接運動學和力學的橋梁，會按照步驟和流程先進行受力分析，再列出牛頓第二定律方程，然后根據所給條件求解，本題最后還需要利用牛頓第三定律說明F壓 = FN = 0。
設計意圖 一方面，通過簡單計算，由失重引入“完全失重”的概念——當物體的加速度a = g 時，物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）為零的現象；另一方面，能夠鞏固牛頓第二定律的簡單應用，強調學生解題的規范性和完整性。
教學環節（九） 師生活動 初始狀態：裝滿水的有孔瓶子會漏水 教師提問：為什么會漏水？原因是什么？ 預設回答：因為存在著水壓。 教師引導學生完善答案，可將水瓶中的水分為上、下兩部分，看作上下疊放的兩個物體，上半部分的水會對下半部分的水有壓力，所以水會從孔中流出來。 教師提問：如果松手讓水瓶下落或將水瓶豎直向上拋時，水瓶中的水是否會噴出？ （教師演示實驗） 實驗現象：松手讓水瓶下落或將水瓶豎直向上拋時，水瓶中的水都不會噴出。 教師引導學生思考原因，從水瓶和水的運動狀態入手分析，即水瓶和瓶中的水可看作是自由落體運動或豎直上拋運動，加速度均為重力加速度g，此時水瓶和瓶中的水均處于完全失重狀態，上半部分的水對下半部分的水的壓力FN = 0，所以水不會從孔中噴出。
設計意圖 通過演示實驗，認識因為“完全失重”而產生的神奇現象，并從運動學和力學的角度，學會利用完全失重的概念解釋現象產生的原因。
教學環節（十） 師生活動 為什么在空間站中宇航員和衣服能夠自由漂浮？ 預設回答：因為它們都處于完全失重狀態，對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）為零。 ② 火箭起飛時，厚重的宇航服有什么作用？ 預設回答：火箭由靜止向上起飛時，需要在短時間Δt內獲得非常大的速度v，說明此時火箭和宇航員的加速度a = 也非常大，而且加速度a向上，所以宇航員處于超重狀態，宇航員對火箭艙壁的壓力可能是宇航員自身重力的好幾倍，穿著厚重的宇航服是為了保護宇航員免受這么大的力所造成的傷害。
設計意圖 首尾呼應，通過本節課的系統學習，能夠利用超重、失重的運動學特征和力學特征，科學地解釋課前的思考問題，對學習效果進行檢驗。
板書設計 超重和失重 超重：F壓（T’）＞ mg a向上： ① 向上加速 ② 向下減速 失重：F壓（T’）＜ mg a向下： ① 向上減速 ② 向下加速 完全失重：a = g，F壓（T’）= 0 向上加速（a向上）向下減速 F壓 ＞ mg，FN ＞ mg 超重 FN - mg = ma 向上勻速（a = 0） F壓 = mg，FN = mg 平衡 向上減速（a向下）向下加速 F壓 ＜ mg，FN ＜ mg 失重 mg - FN = ma
教學反思 成功之處 教姿教態 教姿教態自然，語速適中，課堂整體比較流暢。 教學重、難點處理 從電梯上升過程入手，對超重、失重現象及背后的本質原因進行分析，運用牛頓第二定律將運動學和力學聯系起來，教學深入淺出，能夠較好地突破本節內容的教學重、難點。 信息化教學 利用Phyphox軟件中測量加速度的功能，學生配合完成下蹲、起立的過程，并投屏顯示加速度隨時間變化的曲線，從實驗圖像、理論分析這兩個角度，對下蹲、起立過程中出現的超重、失重現象進行分析。 課堂練習設置 課堂習題的難度較低，比較符合普通班學生的層次，以強化概念、簡單應用和計算為主。 不足之處 課程內容銜接 課堂開頭過渡較為生硬，未能很好地銜接初、高中內容，可以增設“重力的測量”這部分內容，提出“視重”、“實重”的概念，由學生在初中已掌握的物理知識自然地過渡至超重、失重現象，才不會讓學生感覺知識點的難度陡然提升。 學生主體性 課堂以教師為主導，未能充分體現課堂中學生的主體地位，留給學生自主思考、分析的時間并不多。教師可以先帶領、引導學生分析完整的運動過程和受力情況，之后類似的分析過程可由學生進行回答，熟練對思路和方法的應用，強化對相應知識內容的理解。 學生實驗設置 少部分學生未能很好地參與到簡易的實驗中來，可以增加學生上臺實驗的次數，讓學生獲得較強的參與感和體驗感，加深學生對課堂實驗的印象，加強對知識點的理解。 課堂結構完整性 課堂內容安排較為緊湊，雖然能夠全面覆蓋知識點，較好地突破教學重難點，但是未能完成課堂知識梳理、課后作業布置這兩個教學環節，課堂結構有所缺失，各部分內容的時間安排有待加強。

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