超重与失重 一、教学内容分析1内容与地位本节内容是本章知识应用的一个典型的例子，其典型性表现为：其一，此现象产生原因的分析要用到牛顿第二定律，这不仅有利于学生巩固对定律的内容理解，而且有助于培养学生分析问题的能力；其二，这是一个贴近日常生活的实际问题，学生熟悉，可亲身感受，而且充满惊奇和妙趣，能激发学生的学习兴趣和探究热情，这对于培养学生主动学习有着极其重要的引导作用，是一个很好的学习资源；其三，超重和失重现象与航空航天技术紧密相联系，对于开发空间技术有着极其重要的战略意义，让学生了解前沿科学，对于培养学生的想像力和创新思想具有重要作用2教学目标（1）理解超重和失重现象，并能应用牛顿第二定律解释此现象（2）培养学生观察能力、分析推理能力和想像能力（3）体验超重和失重，激发学生的求知欲望；了解超重和失重环境的奇妙性和重要性，培养学生的探究技能3教学重点、难点认识超重、失重概念，理解超重、失重的原因二、案例设计（一）引入新课视频展示：翻滚过山车录像片断问题：从录像片段中，你们观察了什么?学生：惊险、刺激、恐惧、不安问题：为什么会出现这些心理反应?学生1：因为速度太快，因为处于高空中，因为高速气流对人强烈的冲击作用，因为高速带来的视觉上强烈的刺激作用学生2：可能不单单是高速、高空带来刺激和不安，因为高空中高速飞行飞机中的乘客却没有表现出如此不安与恐惧教师：其实，过山车游客出现上述强烈心理和生理反应，除了同学们分析的原因之外，还有一个很重要的因素就是与我们这一节所学的两个物理现象有关，即超重和失重现象（设计本环节的目的是希望通过学生熟悉而又感兴趣生活现象激发学生学习兴趣，同时又点出本节课所要学习的物理内容，体现了从生活走向物理的教学设计理念）（对于实验条件不许可学校，教师也可改用如图13-1的实验引入新课演示时，将装置升到天花板，当摆球摆到最高位置时，将绳子松开，让整个装置自由下落，请同学们观察现象，摆仍然保持在偏斜的位置，并不来回摆动为什么?这就是本节课要揭示的秘密失重现象。）为了揭开这个问题的本质，请同学们先看下面的问题：问题1 站在地面上的同学，他对地面的压力多大?当他突然下蹲瞬间，人对地面的压力如何变化?（问题一提出，学生坐不住了，跃跃欲试，想站起来找下蹲的感觉学生之间议论纷纷，争论的焦点集中在后一个问题上，同学们各抒己见，思维之间相互冲突，归纳起来有两种看法）学生1：对地面的压力变小了学生2：对地面的压力增大了，因为人下蹲时，人有向下冲击的作用，所以压力增大了（学生的认识往往依据自己已有的经验，因此课堂上如何引导，这个问题值得思考应按认识规律，让学生在观察思考的过程中，引导他们不断修正自己的观点，形成正确的认识）体验实验：请一个学生站在台式体重计上，突然下蹲，观察示数的变化情况?（有条件的学校，可用一摄像头将示数变化情况投到屏幕上）（选择这一实验理由，一是考虑可操作性，二是因为此过程既有超重问题，又有失重问题，合二为一，现象表现的问题比较突出）观察结果：示数先变小，后又变大，即人对地面的压力先变小后变大这就是失重和超重现象这是为什么呢?如何解释这个现象?这是我们这一节课要研究的中心内容（如果说过山车录像所展示的场景，仅仅给学生对超重与失重现象认识带来“心灵”上的感受，那么，这一段的设计却能给学生带来对超重和失重“量”上的感受当然后续教学设计应该给学生以“质”上的认识）下面，我们通过具体实例从理论上探究上述现象产生的原因（二）超重与失重现象问题2 如图13-2所示，一个人在升降机内做一实验，实验时将一弹簧秤挂在升降机内，弹簧秤下挂一质量m5kg的物体问题（1）：若升降机以a0.8m/s2加速度向上加速运动时，此人看到的弹簧秤示数多少?此读数比重力大还是小?给学生几分钟的思考、分析时间，在这段时间内教师最重要的工作是捕捉课堂上来自学生的有用教学信息，捕捉的信息不应只限制于学生正确的分析过程和答案，学生中出现的各种各样的不同的想法，同样是有用的课堂教学资源教师选择几种有代表性的想法展示出来（板书在黑板或投影在屏幕上）学生可能的分析过程有：学生1：物体受两个力作用：重力和弹簧秤对物体的拉力因为物体的加速度向上，物体所受的合力向上，所以弹簧秤对物体的拉力大于重力，即弹簧秤的示数大于重力（定性分析）学生2：物体受两个力作用，重力和弹簧秤对物体的拉力因为物体的速度向上，物体所受的合力向上，所以弹簧秤对物体的拉力大于重力，即弹簧秤的示数大于重力（定性分析）学生3：根据牛顿第二定律得mgFtma所以Ftmgma(59.850.8)N45.0N弹簧秤的示数FtFt45.0N49.0N（定量分析）学生4：根据牛顿第二定律得Ftmgma所以Ftmgma（59.850.8）N53.0N弹簧秤的示数Ft53.0Nmg49.0N（定量分析）对于上述四个具有代表性的分析过程，教师如何点评对学生最有帮助，能收到最好的教学效果，值得思考课堂上教师不妨引导学生进行讨论，倾听学生的不同想法，达到更大范围、更深程度暴露学生认知中存在的问题在此基础上，教师进行必要点拔、穿针引线，让存在于学生中的问题靠学生自身努力加以解决，这是解决问题最有效的办法，它不仅解决了这个问题，更重要的是培养了学生分析解决问题的能力共识：学生1和学生4的分析是正确的有了解决问题（1）的基础后，教师再抛出以下问题（2）、（3）、（4）：问题（2）：若升降机以大小a0.8ms2加速度向下减速运动时，此人看到的弹簧秤示数多少?此读数比重力大还是小?问题（3）：若升降机以大小a0.8ms2加速度向下加速运动时，此人看到的弹簧秤示数多少?此读数比重力大还是小?问题（4）：若升降机以大小a0.8ms2加速度向上减速运动时，此人看到的弹簧秤示数多少?此读数比重力大还是小?设计这三个问题的目的，是让学生进一步思考电梯在不同的运动情况下，弹簧秤示数还有什么变化，从而让学生发现如下规律：规律1：挂在弹簧下的物体，弹簧秤显示的示数不一定都等于物体所受的重力大小规律2：当电梯加速上升和减速下降的情况下，人观察到的弹簧秤示数（即视重）均大于重力规律3：当电梯加速下降和减速上升的情况下，人观察到的弹簧秤示数（即视重）均小于重力由此引出超重和失重概念，并注意强调超重、失重与物体重力变化的区别!问题3 从上述几个实例中，分析产生超重、失重的本质原因是什么?学生根据上述四个问题结论的比较，不难得出如下规律：规律3：不论物体向上或向下运动，当物体具有向上的加速度时，物体必然出现超重现象；当物体具有向下加速度时，物体必然出现失重现象请同学们解释本节引入新课的问题：人下蹲过程为什么对地面的压力先变小后变大（目的是为了呼应本节开始时引入的问题，有回归之意，让本节的主题进一步得到突出）问题2中的最后一个问题：问题（5）：若升降机以大小ag加速度加速下降时，此人观察到的弹簧秤示数为多少?此问题由学生分析，学生可能会进行如下分析：定性分析：当物体以加速度ag加速下降时，物体所受的合力大小等于重力，故弹簧秤对物体无拉力，所以弹簧秤的读数为零定量分析：根据牛顿第二定律得Ftmgma所以Ftmgmamgmg0由此引出失重中的一个特殊现象完全失重概念，即物体具有向下加速度且大小等于重力加速度时，弹簧秤拉力等于零的现象值得一提的是定性分析和定量分析要灵活应用，定性分析往往比较直观、形象，在教学中要引起重视演示实验：失重现象（1）实验装置如图13-3（a）所示，杆处于水平平衡，若将铁链一端的细绳烧断，杆还会平衡吗?为什么?（2）动手分组实验：如图13-3（b），取一可乐瓶，在瓶底部打一小孔，在瓶中盛一定量的水，水将从小孔中流出若将可乐瓶从空中自由落下，水会从小孔中流出吗?请解释为什么?如果可乐瓶是向上抛出呢?（三）超重和失重现象的利与弊1超重现象与人的生理反应（1）问题：飞船发射时加速上升，宇航员处于超重状态，而且发射时由于加速度很大，超重很“严重”，体内血液往下肢“坠”，一方面造成血管承受压力加大，另一方面造成血液循环困难，脑部会出现缺血和缺氧现象为了减少超重对人的生理影响，飞船发射时，宇航员成什么姿势较好?（设计本问题的目的是希望学生能够关注超重环境对生命系统带来的影响，把学科间的知识联系起来，培养学生综合分析问题的能力）（2）超重环境模拟仪：为了训练宇航员适应超重环境，宇航员要在超重环境中进行训练如图13-4所示就是超重环境模拟仪，当训练舱旋转时，舱处于超重状态（可用照片和视频图像展示，对于其中的原理可不做解释，但是可以给学生一个悬念这是圆周运动的知识，其目的是为了进一步激发学生探究新知识的欲望，是后续教学的一个“伏笔”）2失重现象视频展示：宇航员在空间站工作和生活画面，最好含有宇航员喝水画面（在失重状态下水成球形，也可用一个模拟实验展示：取一玻璃瓶，装入半瓶水，后再往瓶中倒人一勺食用油，最后往瓶中逐渐加入酒精，并摇动瓶子直到油成球形原理：当水和酒精混合液的密度等于油的密度时，油滴受到重力与浮力平衡，此时油在表面张力作用下成球形）想像活动：根据你对失重现象的理解、想像，在地面上的生产、生活或实验现象在失重情况下可能出现什么现象或产生什么影响?这些现象有什么有利方面和不利方面?不利的一面如何克服?有利的一面可能有什么应用?（例如：太空饮食问题，太空中排泄问题，太空中睡觉问题，太空中的泡沫金属，太空中的晶体生长，太空中悬浮冶炼等等）（本环节设计的目的是希望学生不仅理解失重现象，而且能够把这种现象与生活、生产联系起来一方面是为了培养学生探究新问题的能力，另一方面是培养学生解决实践问题的能力，再一方面是为了培养学生的想像能力，进而培养学生的创新思维）失重环境是一个特殊环境，它对生物生长或物理现象、化学现象等产生影响为了鼓励青少年创新，同时也为了充分应用失重环境或微重力环境的宝贵资源，美国国家航空航天局（NASA）每次发射航天飞机之前，在世界各国中学生中征集飞船搭载实验方案，我国中小学生设计的方案曾被选中例如，1990年，18岁的俞纬设计的“草履虫生成”实验项目从全国7000多个太空搭载实验项目中脱颖而出，被美国国家航空航天局选中，搭乘“发现号”航天飞机进行了太空实验2020年，中国女生李桃桃提出的“蚕在太空吐丝结茧”搭载实验，由美国“哥伦比亚”号航天飞机送入太空，遗憾的是“哥伦比亚”号返回时坠毁，失去了宝贵观察记录我国从1987年开始开展太空搭载实验，取得了不少实验成果，从2020年开始，利用返回式卫星开展有偿征集太空搭载实验，云南省金实小学的学生申请的“跳舞草种子”搭载实验方案获得通过，并由我国第18个返回式卫星送上太空以上有关方面的具体情况可上网查阅相关资料课外实践：（1）到宾馆乘坐电梯，体验宾馆电梯起动或停止时人的感受；到游乐场感受过山车或极速升降机（2）上网查看超重和失重相关资料三、案例评析本教学案例设计，在设计思路上突出了生活性、问题性、主体性、时代性和创新性本节开始，引入话题是一个人人都能体验的很生活化的现象人的下蹲过程，但是从中引出的问题人对地面的压力如何变化，却不是一个人人都能回答正确的问题，而且这个问题紧紧扣住了本节的中心内容这个问题的答案先从实验给出，然后寻求理论上解释，这种“先果后因”处理手法，其目的是为了让学生的预测结果与实验结果可能形成更多思维上的冲突，有助于激发学生进一步探究的欲望解决问