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超重与失重 教学设计 粤教必修3

物理源于生活高于生活,又归宿于生活。笔者以《超重与失重》教学为例,实现在教学活动中,让学生把生活中低层次的原始经验、素材经分析、加工,变为高层次组织活动,去获取新的知识和技能,获得情感体验,提升素养和品质。通过教学的生活化,用反思、修正、逐层递进的方式,有效地推动学生学习活动的层层深入,以实现《新课标》中“知识来源于生活,服务于生活”的要求。

设计思想

“高中物理课程应促进学生自主学习,让学生积极参与,乐于探索、勇于实验、勤于思考。”是《新课标》的要求。设计更多的探究性实验不仅符合课标中提出的“通过实验认识超重和失重现象”,也符合学生的认知规律;从生活实际出发,设计贴近学生生活的实验,以此为基础,以探究为主线,让学生通过实验操作、观察来认识物理现象,认知物理过程,让学生用生活化的语言表述观察到的超、失重现象,探究物理规律,再引导学生将生活语言转化成科学规范的物理语言阐述物理规律。通过实验让学生暴露错误的前概念,理解并掌握物理概念与规律。经过构建从而获得物理知识,形成技能,同时培养学生创新精神与实践能力。为避免学生对概念的混淆,教学中不提出“实重”“视重”。

学情分析

通过前面对“牛顿第二定律”的学习,学生对解决物体做匀变速直线运动的问题已有所了解,但对定律的运用还不是很熟练,很难从理论上自主地得到超重、失重现象的运动学特征。学生在学习超重和失重现象时会受到一些前概念的影响,容易把生活中说的有些“超重”与物理学上的超重混为一谈,把物理学上的失重误认为是物体“失去重力”;容易把超重、失重现象的运动学特征与物体的运动方向相联系。

教学目标

(一)知识与技能

1.通过实验认识超重和失重现象,理解产生超重失重现象的条件和实质。

2.能运用牛顿第二、三定律定量分析超重与失重现象。

(二)过程与方法

1.经过探究实验发现超重失重现象,通过引导、小组讨沦、再实验寻找超重失重现象的运动学特征。

2.用科学方法探究发生超重失重现象的条件及实质。

(三)情感、态度与价值观

1.通过列举一些身边的超重失重例子和日常的小实验,让学生学会观察生活,知道物理就在身边。

2.培养学生科学探究能力,激发成就感;养成学科学、爱科学、用科学的习惯;从探究中体验科学之美,体会合作的重要性。

教学策略与手段

以日常生活中的有关现象为切入点,让物理学习更贴近生活,以激发学生的兴趣。开始让学生利用弹簧秤和钩码自主探究如何测量物体的重力,并让学生明白弹簧秤的读数直接反映的是物体对弹簧秤的拉力;然后让学生“玩一玩”来发现弹簧秤的读数有时不等于物体的重力,鼓励学生设计实验探究物体超重、失重现象的运动学特征。在演示自由下落的可乐瓶没有水柱喷出时,充分挖掘实验的内涵,让学生理解水的喷出是由水的压力引起。

通过放在台秤上的砝码在水平加速运动时读数不变实验,演示和例举一些并非超重失重实例,如磁铁吸引铁质的砝码弹簧秤读数变大实验,进一步从不同角度让学生理解,物体超重、失重现象的运动学特征是物体有竖直方向的加速度。

课外通过对“超摩擦”“失摩擦”的研究,帮助学生理解巩固研究物理问题的科学方法。

课前准备

1.学生所需器材(四人一组):弹簧秤、砝码。

2.教师所需器材:弹簧秤、砝码、物理支架、小台秤、小车、磁铁、可乐瓶、超重失重演示仪、多媒体投影仪。

教学过程

一、复习引入

(复习牛顿第二定律的应用,同时为新课教学中对超重与失重的解释做理论储备。)

练习:电梯以1.0m/s的速度竖直匀速上升,电梯地板对站在电梯里质量为60kg的人的支持力为________N;如果电梯以0.5m/s2的加速度加速下降,地板对人的支持力又为_______N;(g取 10m/s2

说明:解题时两个受力分析图(图1)要留在黑板的右上角,为新课教学服务。

二、新课教学

(实验)探究之一:

(以生活情景的导入,引出物理问题)

请用给定器材(弹簧秤、砝码),设计一个实验,得到砝码的重力大小。

教师将各组学生得到的结论写在黑板上。

问题:1.你看到的弹簧秤读数(直接)表示的是下列哪个力?

A.物体的重力

B.弹簧秤对物体的拉力

C.物体对弹簧秤的拉力

D.手对弹簧秤的拉力

2.请学生讨论后回答:弹簧秤测量物体重力的原理(二力平衡)。

小结:当物体处于静止或匀速运动时,物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力等于物体的重力。

(实验)探究之二:

请同学们用刚才的实验器材“玩一玩”(教师在讲玩一玩时,要用体态语言提示学生,手要上下运动),看一看有什么新现象。

学生:读数不稳定,有时候比刚才的读数大,有时候小。

问题:1.你看到的弹簧秤读数表示的是什么力?2.如果用“老经验”看(教师演示,用书挡住上下振动的砝码),你认为物体的“重力”有变化吗?如何变化?3.物体的重力实际上会变化吗?应该是多少?

小结:我们把弹簧秤的读数大于物体的重力的现象,叫做物体的超重现象,这时物体所处的状态称为超重状态;而把弹簧秤的读数小于物体的重力的现象,叫做物体的失重现象,这时物体所处的状态称为失重状态。注意,物体超重与失重时其本身的重力不变。

(实验)探究之三:

请同学们继续刚才的实验,想办法使弹簧秤的读数小于物体的重力。(明确的要求能使学生实验更有目的性,暂时不提失重,可以降低难度,使实验更生活化。)

学生1:让物体下降。

学生2:物体匀速下降时,读数却不变化。

学生3:物体下降时,读数并不都是变小,有时读数也有变大。

学生4:物体上升时,也能看到读数变小。

大家的观察很仔细,请一、二组同学让物体下降,三、四组同学让物体上升,仔细实验,观察弹簧秤的读数小于物体的重力发生在运动的哪个阶段。

小结:(板书)弹簧秤的读数小于物体的重力──物体下降的开始阶段或物体上升结束阶段

(理论)探究之四:

上述板书是生活化语言,如何转化为简洁的物理语言。

(学生比较容易将“弹簧秤的读数小于物体的重力”,转化为“物体失重”。但后半句语言的转化就有些困难,教师可用下列问题引导学生探究。)

启发性问题:1.物体下降、上升是描述哪方面物理问题(运动)2.描述运动可用哪些物理量(时间、位移、速度、加速度)3.用哪个物理量比较容易描述,如何描述

小结:(板书改为)失重──加速下降或减速上升。(图2)

(理论)探究之五:

请你们尝试用牛顿第二定律解释物体的失重现象

一、二组同学尝试解释物体减速上升,三、四组同学尝试解释物体加速下降。对有困难的小组,教师要引导学生观察回顾图1,及如何判断加速度的方向。(投影点评学生的练习:如图3,mg-F=maF=mg-ma拉力小于重力)

探究之六:

请你们猜想,物体做怎样的运动会处于超重状态,并用实验验证、理论证实。

(实验时,有部分学生发现,摆动物体(圆周运动)时,物体也会处于超重状态,教师要给予学生充分肯定,并告诉学生在以后的学习中会得到解释;正是由于会出现这种情况,所以在教学设计时先研究物体的失重。

小结:(板书)超重──加速上升或减速下降,(F-mg=maF=mg+ma拉力大于重力)(图4)。

演示实验1:(选自《中学物理》2006.12.33-34)

将滚摆沿竖直方向向上旋绕,当到达一定高度时,然后让它做自由转动下落运动。滚摆在加速下降过程中,我们可以看到杠杆左端向下倾斜,说明物体发生了失重现象。当滚摆到达最低点时,向下猛减速和向上猛地加速过程中,我们可以看到杠杆左端向上倾斜,说明物体发生了超重现象。当滚摆向上减速运动时,杠杆左端又向下倾斜说明物体发生了失重现象。

(1.观察杠杆的平衡状况,贴近学生对超、失重的真实感受,令学生信服。2.利用不等臂杠杆进行放大,使超、失重现象的展示十分明显和直观。3.借助滚摆,使观察现象时的时间较长且超失重过程的转换具有连续性,学生可以连续进行观察。4.利用滚摆,充分展示向下加速、向下减速、向上加速、向上减速四种不同过程所对应的超、失重现象,学生看到了直接的事实,印象深刻,突破教学难点。)

问题:让学生观察板书后问,物体的超、失重是否只决定于物体的速度方向,与速度的变化(加、减速)有无关系。(要让学生充分讨论,小组讨论的结果要向全体同学阐述。)

小结:物体的超、失重,由物体的速度方向及速度的变化共同决定。

探究之七:

看来物体的超、失重现象,与物体速度的关系还相当复杂,能否有更合适的物理量(时间、位移、速度、加速度)表征呢。(小组讨论后学生能解决,教师对有困难小组要引导他们观察黑板上的受力分析图。)

小结:(板书改为)

超重──加速度向上(F-mg=maF=mg+ma拉力大于重力)

失重──加速度向下(mg- F =maF=mg-ma拉力小于重力)

演示实验2:

物体有加速度,但却不发生超、失重现象。(为了强调加速度的方向)

在水平的讲台上放一辆小车,小车上放一小台秤,台秤上放有砝码,让一位学生加速推动小车,同时观察台秤读数的变化,将结果告诉同学。(读数不变)

问题:为什么物体有加速度了,物体怎么还不会超、失重,请认真思考。

小结:物体超、失重时,要竖直方向上有加速度。

演示实验3:完全失重现象

将底部及瓶盖戳有小孔的可乐瓶装满水,让它从高处自由下落,演示水的完全失重现象。

演示这个实验时,教师往往只演示了装满水的可乐瓶静止在手中时,水从小孔中喷出,让它从高处自由下落时水不会流出,从而说明物体处于完全失重状态,这时a=g

这样做的后遗症是,学生不能真正理解失重的本质,往往还认为水不能流出是因为水失去了重力,这样不仅起不到巩固知识反而是反作用。

演示时要注意以下几个问题:

1.将底部四周戳上小孔,可以让各个方向的学生看清楚现象。

2.装满水的可乐瓶静止在手中时,反复几次用手指封住、放开瓶盖上的小孔,让学生看清楚水的流动情形,理解水不能流出不是由于没有重力,而是压力不够(大气压)。

3.装满水的可乐瓶静止在手中时,将手指封住瓶盖上的小孔,用另外一只手挤压瓶身,看到水流出,说明了水的流出是由于水的压力作用,并不是水的重力作用。

4.通过该实验让学生领会:物体的超重(失重)是由于物体对支持面的压力大于(小于)物体的重力。

小结:(板书改为)

超重──加速度向上(F-mg=maF=mg+ma拉力或支持力大于重力)

失重──加速度向下(mg-F=maF=mg-ma拉力或支持力小于重力)

完全失重──加速度为重力加速度(mg-F=mgF=0拉力或支持力等于零)

练习:

1.某人站在台秤的底板上,当他下蹲的过程中(课后试一试)

A.由于台秤的读数等于人的重力,此人下蹲的过程中他的重力不变,所以台秤的读数也不变

B.此人下蹲的过程中,台秤的底板既受到人的重力,又受到人的下蹲力,所以台秤的读数将增大

C.台秤的读数先增大后减小

D.台秤的读数先减小后增大

2.(回到引入新课时练习)问:电梯以0.5m/s2的加速度加速下降,电梯中的人处于状态;人在电梯中有时感到电梯地板对人的脚底压力加大这是现象,这时电梯是在向上做运动或者是向下做运动;乘电梯时,有时因为进入的人太多使电梯发出超载的警报声,这是超重现象吗?但有时正常关上门后,(老式)电梯起步时也会发出超载的警报声,这是什么现象,为什么?这种现象还可能发生在什么时候?

【问题研讨】学生课外要思考的问题

引审探究一:将砝码(铁质)挂在弹簧秤上,保持系统静止,这时弹簧秤的读数等于砝码的重力,将磁铁靠近砝码的底端,会发现弹簧秤的读数大于砝码的重力,那么物体是处于超重状态吗?(不是)

引申探究二:用弹簧秤水平匀速拉动物体时,弹簧秤的读数等于物体受到的摩擦力,如果水平拉动物体时,弹簧秤的读数大于物体受到的摩擦力,我们假设称它为超摩擦现象,那么什么情况下会发生超摩擦现象,什么情况下会发生失摩擦现象。请同学们先进行猜测,然后设计一个实验验证。

板书设计

超重与失重

物体:超重──加速度向上

F-mg=maF=mg+ma拉力或支持力大于重力)

失重──加速度向下

mg- F =maF=mg-ma拉力或支持力小于重力)

完全失重──加速度为重力加速度

mg- F =mgF= 0拉力或支持力等于零)

作业设计

以小组为单位,完成超摩擦、失摩擦实验,报告实验结果,并与超重、失重相比较寻找化们的异同点,写出心得体会,组与组之间相互交流。

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