超重和失重的教学设计与科学素养的提升

李哲君+苏卡林+李科敏+李奇云+罗良

摘 要：在“超重和失重”的教学设计中，通过设计一系列有趣的实践体验活动和学生感兴趣的问题，引导学生结合实例学习有关超重和失重的知识，并注重在这个教学过程中培养学生的学习兴趣和提升学生的科学素养。

关键词：超重和失重；教学设计；学习兴趣；科学素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）9-0073-4

1 引 言

科学素养是指人们应该具备的科学知识与技能、科学过程与方法、科学态度与价值观，以及运用相关知识和方法解决实际问题的能力。“提高全体学生的科学素养”是物理教育的目标和归宿。在“超重和失重”的教学设计中，我们设计了一系列有趣的实践体验活动和学生感兴趣的问题，引导学生结合实例学习有关超重和失重的知识，并注重在整个教学过程中培养学生的学习兴趣和提升学生的科学素养。

2 教学设计

“超重与失重”是高中学生在学完牛顿运动定律之后，学习迁移和应用重点知识的内容。学好“超重与失重”，不仅可以加深对牛顿运动定律等重点知识的理解和对相关现代技术的把握，而且可以培养学生的学习兴趣和提升学生的科学素养。但对一个初学者来说，要正确理解“超重与失重”的本质是个难点。下面，我们利用一系列有趣的实践体验活动和学生感兴趣的问题，引导学生在“实践体验” 和“合作交流”的过程中，建构和理解“超重与失重”的知识。

2.1 设置悬念，引入新课内容

[教师演示] 如图1所示，教师将一台能够称出物体重力的电子秤放在讲台上，在电子秤上放置一个透明的玻璃箱，箱内顶部悬挂一个弹簧，弹簧下端系有一重物G。

（1）当重物G静止时，让学生观察电子秤的示数是否稳定，并读出电子秤托盘中物体（包括玻璃箱、弹簧和重物G）的重力是多少？

（2）教师讲解：如果用手拨动弹簧下端的重物G，使重物G上下振动。

学生思考：在重物G上下振动的过程中，电子秤托盘中物体（包括玻璃箱、弹簧和重物G）的重力是否改变？为什么？（答案：不變。因为G=mg，m和g两个量都与重物的运动状态无关。）

学生猜想：在重物G上下振动的过程中，电子秤的示数是多少？说明自己猜想的理由，并与同桌同学交流。

（3）教师指导学生观察实验现象：在重物G上下振动的过程中，电子秤的示数竟然不稳定，时大时小，实验结果让人感到十分惊奇！

电子秤这时的示数为什么会出现不稳定的现象呢？这就是今天要学习的“超重和失重”在起作用。

设计意图：指导学生观察奇怪的实验现象，以此来引起学生的好奇心，激发学生的探究热情与求知欲。

2.2 实践体验，感受超重与失重

将全班学生分成若干个学习小组，每组4～6人，以学习小组的形式开展体验和讨论。

利用自制的超重和失重演示仪，如图2所示，引导学生分组开展以下3个实践体验活动。

超重和失重演示仪的两个定滑轮固定在架子上，一根细线跨越这两个定滑轮，其两端各与一个弹簧秤相连。

[学生体验1]在两个弹簧秤的挂钩上各挂3个钩码，使两边弹簧秤静止不动，观察两个弹簧秤的示数。（现象：两个弹簧秤的示数相等，弹簧秤挂钩这时受到的拉力F，都等于3个钩码的重力之和G，即F=G）。

[学生体验2] 先在两个弹簧秤的挂钩上各挂3个钩码使两弹簧秤保持静止，再在左边弹簧秤的挂钩上加挂1个钩码，观察左右两端钩码的运动情况和右端弹簧秤的示数变化。

学生观察得出：左端钩码加速下降；右端钩码加速上升；右端弹簧秤的示数增大。在右端钩码加速上升时，右端弹簧秤挂钩受到的拉力F增大，且大于其下钩码的重力之和G，即F>G。

[学生体验3] 先在两个弹簧秤的挂钩上各挂3个钩码使两弹簧秤保持静止，再在左边弹簧秤的挂钩上减掉1个钩码，观察左右两端钩码的运动情况和右端弹簧秤的示数变化。

学生观察得出：左端钩码加速上升；右端钩码加速下降；右端弹簧秤的示数减小。在右端钩码加速下降时，右端弹簧秤挂钩受到的拉力F减小，且小于其下钩码的重力之和，即F

[师生总结] 我们把物体对弹簧秤挂钩的拉力大于物体重力的现象，叫做超重现象，这时物体所处的状态叫做超重状态；把物体对弹簧秤挂钩的拉力小于物体重力的现象，叫做失重现象，这时物体所处的状态叫做失重状态。并引导学生从重力的决定因素出发分析得出：不论物体处于超重状态还是失重状态，它的重力始终保持不变。

[学生体验4]在上述学生体验活动2和3中，再观察左端弹簧秤的示数与其下钩码的重力之和分别有什么关系？

设计意图：利用自制的超重和失重演示仪器，让学生能够直观地看到：在超重或失重中，“物体对弹簧秤挂钩的拉力”与“物体重力”“物体加速度”的关系，为理解和掌握超重和失重的本质提供了素材和基础。

[学生体验5] 如图3所示，用一纸带拉着砝码向上做匀速运动或者保持静止，可以看到纸带完好无损；再用纸带拉着砝码突然向上做加速运动，可以看到纸带断裂。

学生讨论：砝码在突然向上做加速运动时，砝码的加速度的方向向 （选“上”或“下”）；它对纸带的拉力 （选“大”或“小”或“等”）于钩码的重力；此时砝码处在 重状态（选“超”或“失”）（答案：“上”；“大”；“超”）。

[学生体验6] 指导学生制作实验器材并体验：如图4所示，在矿泉水瓶靠近底部的侧壁和瓶盖上各开一小孔，用手指堵住侧壁上的小孔，向矿泉水瓶内装满有色水，盖上瓶盖。打开侧壁和瓶盖上的小孔，观察有色水从瓶的侧壁小孔成抛物线喷出；再让矿泉水瓶做自由落体运动，观察瓶中的有色水在下落过程中还会不会流出。学生动手体验，并讨论为什么会发生这种现象？（答案：因为在矿泉水瓶做自由落体运动时，瓶和有色水都向下做加速运动，瓶中的有色水处于失重状态，由于没有受到足够大的压力而不会从侧壁小孔中喷出。）

设计意图：指导学生通过实践体验活动，加深对超重和失重中各个力的认识和理解。

2.3 研讨案例，探究新知本质

[案例研讨] 质量为m的某人站在电梯地板上，在以下三种情况下，分别探究电梯地板对此人的支持力各为多少？

（1）若电梯以速度v竖直匀速上升或者处于静止状态；

（2）若电梯以加速度a加速上升；

（3）若电梯以加速度a加速下降。

学生先利用隔离法和牛顿运动定律进行分析，教师再引导学生经过小组讨论形成以下共识：

在题设三种情况下，人只受到竖直向下的重力和电梯地板对人竖直向上的支持力的作用。

（1）若电梯以速度v竖直匀速上升或者静止时，由二力平衡原理或牛顿第二定律（加速度a=0）可知：电梯地板对人的支持力F等于人的重力G，即F=G，G=mg。

（2）若电梯以加速度a加速上升时，由牛顿第二定律可知F-G=ma，由此可得电梯地板对人竖直向上的支持力F=G+ma>G。由于电梯地板对人竖直向上的支持力F大于人的重力G，此时人处在超重状态，这就是超重现象。

（3）若电梯以加速度a加速下降时，由牛顿第二定律可知G-F=ma，由此可得电梯地板对人竖直向上的支持力F=G-ma

进一步讨论：在以下两种情况下电梯地板对人的支持力的大小有何特点？（1）如果人和电梯在竖直向下的方向同时做自由落体运动（即物体沿着竖直向下方向运动的加速度a=g）；（2）如果人和电梯处在遥远的太空（即人不受地球的吸引，其重力G=0），且人处于静止或者匀速直线运动状态（即人的加速度a=0）。

[师生总结] 教师引导学生总结并板书以下内容：超重和失重。

1.如果物体运动的加速度沿竖直向上的方向，此物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体的重力的现象，称为超重现象；

2.如果物体运动的加速度沿竖直向下的方向，此物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体的重力的现象，称为失重现象；

3.如果对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）为零的现象，这被称为完全失重现象。物体在以下两种情况下产生完全失重：

（1）物体在竖直向下的方向做自由落体运动（即物体运动的加速度a=g）；

（2）物体处在遥远的太空不受地球的吸引（即物体的重力G=0）且加速度a=0。

设计意图：引导学生运用牛顿第二定律探讨超重和失重的本质，并在此过程中，加深对牛顿运动定律的理解，培养学生的独立思考能力和交流表达能力。

2.4 学以致用，培养应用能力

[学生活动1] 小组讨论：在蹦极运动中，运动员在下落和被弹起的过程中，其加速度的方向分别在哪里？在什么时候产生超重、失重现象？（答案：略）

[学生活动2] 小组讨论：飞机在加速升空或加速降落的过程中，飞机中的乘客在什么时候产生超重或者失重现象？（答案：飞机在加速升空的过程中，乘客处于超重状态；在加速降落的过程中，乘客处于失重状态。身体素质不好的人难以承受这些变化而感到十分难受。）

[教师讲授] 宇宙飞船、 航天飞机等航天器在加速升空或加速降落的过程中，会产生很大的加速度，因而会产生更加严重的超重与失重。此时，大多数人都会因此产生晕迷现象。因而，航天员必须选择身体素质特别好的并经过专门训练才能胜任宇宙飞行。

设计意图：利用学生感兴趣的问题，构建讨论和思考的学习环境，促使学生应用所学知识解决生活中的实际问题，让学生感到所学知识亲切、有趣、有用。

[学生活动3] 小组讨论：假设地球上所有物体的重力消失，猜想会发生什么现象？（答案：此时人们将处于完全失重状态；周围的物体将飘在空中；人们站着睡觉与躺着睡觉一样舒服；食物要做成块状或牙膏似的糊状，以免食物的碎渣“漂浮”在空中，进入人们的眼睛和鼻孔……）

设计意图：利用该事例培养学生的想象能力和发散思维能力。

[教师讲解1] 教师播放有关教学视频，讲解：在完全失重的条件下，熔化了的金属液滴，其形状将呈现出绝对球形，冷却后可以制成最理想的滚珠。

[教师讲解2] 玻璃纤维是现代光纤通信的基本材料，它的直径只有几十个微米，是一种非常细的玻璃丝。在地面上，难以制造出长度达到实用水平的玻璃纤维，因为还没有等到液态的玻璃丝完成自身的凝固过程，它就会在自身重力的作用下迅速断裂而处于粉碎状态。若在完全失重的太空轨道上，因为玻璃丝处于完全失重状态，因而就可以成功制造出几百米长的这种实用玻璃纤维。

[教师讲解3] 在完全失重的太空轨道上，还可以制造一种新型有趣的泡沫材料，即泡沫金属。在完全失重的条件下，若在液态的金属中通入气体，气泡既不出现“上浮”，也不可能“下沉”，它将会均匀地分布在液态金属中，凝固后就可以得到内含大量气泡的泡沫金属。这样就可以得到轻得像软木塞似的泡沫金属，用它做出来的飞机机翼等物品既轻又结实。

设计意图：利用有关事例，拓宽学生的知识视野，向学生展示新学知识的巨大作用，激发学生对物理知识的热爱之情，提升学生的科学素养。

2.5 归纳总结，把握重点知识

（略，见2.3“师生总结”的内容）。

设计意图：通过归纳总结，引导学生把握新学的重点知识。

2.6 布置作业，培养研究能力

1.超重和失重的本质是什么？并解释图1中的重物G在上下振动的过程中，电子秤的示数为什么会出现不稳定现象？

2.查阅资料，针对物体超重和失重的特点写一个研究报告，分别给出1个案例，说明人们是怎样利用它们的优点？又是怎样避免它们的缺点？

设计意图：巩固新知识，培养学生的研究能力，并让学生知道科学也是一把双刃剑，要学会创造条件利用科学知识的优点和限制它的不足。

3 我们的体会

在此“超重和失重”的教学设计中，我们结合中学生的生活实际和年龄特点给学生构建“实践体验”和“合作交流”的学习环境，引导学生观察、体验、交流和思考，从而“发现”和掌握“超重和失重”的本质，并通过对一系列实际问题的研讨和应用案例的介绍，促使学生运用所学的新知识思考和解决生活中的实际问题，并注重在整个教学过程中培养学生的学习兴趣和提升学生的科学素养。这种教学设计，笔者已经在岳阳市第十五中学进行了教学实践，学生们普遍认为这种教学设计亲切、易懂、有用、有趣。

参考文献：

[1]李科敏，李奇云，苏卡林，徐旭玲.教学设计要注重三维教学目标的和谐达成[J].物理教学探讨，2015，33（10）：69-71.

[2]李哲君.“声音的产生与传播”教学设计与学习兴趣培养[J].物理教学探讨，2017，35（1）：74-76.

（欄目编辑 邓 磊）