2019-2020年高中物理超重與失重教案1 教科版必修1一 教學內(nèi)容分析1 內(nèi)容與地位普通高中物理課程標準共同必修模塊“物理1”中的第二個二級主題“相互作用與運動規(guī)律”中涉及本節(jié)的內(nèi)容有條目4：“通過實驗認識超重和失重現(xiàn)象?！币髮W生能通過一些實驗或具體的活動來了解和體驗超重和失重。本節(jié)內(nèi)容是本章知識應用的一個典型的例子。其典型性表現(xiàn)為，其一，此現(xiàn)象產(chǎn)生原因的分析要用到牛到頓第二定律，這不僅有利于學生鞏固對定律的內(nèi)容理解，而且有助于培養(yǎng)學生分析問題的能力；其二，這是一個貼近日常生活的實際問題，學生熟悉，可親身感受，而且充滿驚奇和妙趣，能激發(fā)學生的學習興趣和探究熱情，這對于培養(yǎng)學生主動學習有著極其重要的引導作用。是一個很好的學習資源。其三，超重和失重現(xiàn)象與航空航天技術緊密相聯(lián)系，對于開發(fā)空間技術有著極其重要的戰(zhàn)略意義。讓學生了解前沿科學，對于培養(yǎng)學生的想象能力和創(chuàng)新思想具有重要作用。2 教學目標（1） 理解超重和失重現(xiàn)象，并能應用牛頓第二定律解釋此現(xiàn)象。（2） 培養(yǎng)學生觀察能力、分析推理能力和想象能力。（3） 體驗超重和失重，激發(fā)學生的求知欲望。了解超重和失重環(huán)境的奇妙性和重要性，培養(yǎng)學生的探究技能。3 重點難點認識超重、失重概念，理解超重、失重的原因。二 案例設計（一） 引入新課視頻展示：翻滾過山車錄相片斷。問題：從錄相片段中，你們觀察了什么？學生：驚險、刺激、恐懼、不安。問題：為什么會出現(xiàn)這些心理反應？學生1：因為速度太快，因為處于高空中，因為高速氣流對人強烈沖擊作用，因為高速帶來的視覺上強烈刺激作用學生2：可能不單單是高速、高空帶來刺激和不安，因為高空中高速飛行飛機中的乘客卻沒有表現(xiàn)出如此不安與恐懼。老師：其實，過山車游客出現(xiàn)上述強烈心理和生理反應，除了同學們分析的原因之外，還有一個很重要的因素就是與我們這一節(jié)所學的兩個物理現(xiàn)象有關，即超重和失重現(xiàn)象。（設計本環(huán)節(jié)的目的是希望通過學生熟悉而又感興趣生活現(xiàn)象激發(fā)學生學習興趣，同時又點出本節(jié)課所要學習的物理內(nèi)容，體現(xiàn)了從生活走向物理的教學設計理念。）（對于實驗條件不許可學校，教師也可改用如圖6？的實驗引入新課。演示時，將裝置升到天花板，當擺球擺到最高位置時，將繩子松開，讓整個裝置自由下落，請同學們觀察現(xiàn)象，擺仍然保持在偏斜的位置，并不來回擺動。為什么？這就是本節(jié)課要揭示的秘密失重現(xiàn)象）為了揭開這個問題的本質(zhì)，請同學們先看下面的問題。問題1：站在地面上的同學，他對地面的壓力多大？當他突然下蹲瞬間，人對地面的壓力如何變化？（問題一提出，學生坐不住了，躍躍欲試，想站起來找下蹲的感覺。學生之間議論紛紛，爭論的焦點集中在后一個問題上，同學們各抒已見，思維之間相互沖突，歸納起來有兩種看法）學生1：對地面的壓力變小了。學生2：對地面的壓力增大了，因為人下蹲時，人有向下沖擊的作用，所以壓力增大了。（學生的認識往往依據(jù)自己已有的經(jīng)驗，因此課堂上如何引導，這個問題值得思考。應按認識規(guī)律，讓學生在觀察思考的過程中，引導他們不斷修正自己的觀點，形成正確的認識。）體驗實驗：請一個學生站在臺式體重計上，突然下蹲，觀察示數(shù)的變化情況？（有條件的學校，可用一攝像頭將示數(shù)變化情況投到屏幕上）（選擇這一實驗理由，一是考慮可操作性，二是因為此過程既有超重問題，又有失重問題，合二為一，現(xiàn)象表現(xiàn)的問題比較突出）觀察結果：示數(shù)先變小，后又變大，即人對地面的壓力先變小后變大這就是失重和超重現(xiàn)象這是為什么呢？如何解釋這個現(xiàn)象？這是我們這一節(jié)課要研究的中心內(nèi)容。（如果說過山車錄相所展示的場景，僅僅給學生對超重與失重現(xiàn)象認識帶來“心靈”上感受，那么，這一段的設計卻給學生對超重和失重帶來“量”上感受。當然后續(xù)教學設計應該給學生以“質(zhì)”上的認識。）下面，我們通過具體實例從理論上探究上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。（二） 超重與失重現(xiàn)象問題2：如圖61所示，一個人在升降機內(nèi)做一實驗，實驗時將一彈簧秤掛在升降機內(nèi)，彈簧秤下掛一質(zhì)量為m=5kg的物體。問題（1）若升降機以大小a=0.8m/s2加速度向上加速運動時，此人看到的彈簧秤示數(shù)多少？此讀數(shù)比重力大還是??？ 給學生幾分鐘的思考、分析時間。在這段時間內(nèi)教師最重要的工作是捕捉課堂上來自學生的有用教學信息，捕捉的信息不應只限制于學生正確的分析過程和答案，對于學生中出現(xiàn)的各種各樣的不同的想法，同樣是有用的課堂教學資源。教師選擇幾種有代表性的想法展示出來（板書在黑板或投影在屏幕上）。學生的可能分析過程有： 學生1：物體受兩個力作用，重力和彈簧秤對物體的拉力。因為物體的加速度向上，物體所受的合力向上，所以彈簧秤對物體的拉力大于重力，即彈簧秤的示數(shù)大于重力（定性分析） 學生2：物體受兩個力作用，重力和彈簧秤對物體的拉力。因為物體的速度向上，物體所受的合力向上，所以彈簧秤對物體的拉力大于重力，即彈簧秤的示數(shù)大于重力（定性分析） 學生3：根據(jù)牛頓第二定律得 mgT=ma 所以 T=mgma=（59.850.8）N=45.0N 彈簧秤的示數(shù)T=T=45.0Nmg=49.0N（定量分析） 學生4：根據(jù)牛頓第二定律得 Tmg=ma 所以 T=mgma=（59.850.8）N=53.0N 彈簧秤的示數(shù)T=T=53.0Nmg=49.0N（定量分析）對于上述四個具有代表性的分析過程，教師如何點評，對學生最有幫助，收到最好的教學效果，值得思考。課堂上教師不仿引導學生進行討論，傾聽學生的不同想法，達到更大范圍、更深程度曝露學生認知中存在的問題。在此基礎上，教師進行必要點拔、穿針引線，讓存在于學生中的問題靠學生自身努力加以解決，這是解決問題的最有效辦法。它不僅解決了這個問題，更重要的是培養(yǎng)了學生分析解決問題的能力。共識：學生1和學生4的分析是正確的。有了解決（1）問題基礎后，教師再拋出以下（2）、（3）、（4）問題問題（2）若升降機以大小a=0.8m/s2加速度向下減速運動時，此人看到的彈簧秤示數(shù)多少？此讀數(shù)比重力大還是?。繂栴}（3）若升降機以大小a=0.8m/s2加速度向下加速運動時，此人看到的彈簧秤示數(shù)多少？此讀數(shù)比重力大還是??？問題（4）若升降機以大小a=0.8m/s2加速度向上減速運動時，此人看到的彈簧秤示數(shù)多少？此讀數(shù)比重力大還是小？設計這三個問題的目的，是讓學生進一步思考，電梯在不同的運動情況下，彈簧秤示數(shù)還有什么變化，從而讓學生發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：規(guī)律1：掛在彈簧下的物體，彈簧秤顯示的示數(shù)不一定都等于物體的重力大小。規(guī)律2：當電梯加速上升和減速下降的情況下，人觀察到的彈簧秤示數(shù)（即視重）均大于重力。規(guī)律3：當電梯加速下降和減速上升的情況下，人觀察到的彈簧秤示數(shù)（即視重）均小于重力。由此引出超重和失重概念。并注意強調(diào)超重、失重與物體重力變化的區(qū)別！問題3：從上述幾個實例中，分析產(chǎn)生超重、失重的本質(zhì)原因是什么？ 學生根據(jù)上述四個問題結論的比較，不難得出如下規(guī)律：規(guī)律3：不論物體向上或向下運動，當物體具有向上加速度時，物體必然出現(xiàn)超重現(xiàn)象；當物體具有向下加速度時，物體必然出現(xiàn)失重現(xiàn)象。請同學們解釋本節(jié)引入新課的問題，人下蹲過程為什么對地面的壓力先變小后變大。（目的是為了呼應本節(jié)開始時引入的問題，有回歸之意，讓本節(jié)的主題進一步得到突出。）問題2中的最后一個問題問題（5）：若升降機以大小a=g加速度加速下降時，此人觀察到的彈簧秤示數(shù)為多少？此問題由學生分析學生可能分析預測：定性分析：當物體以加速度a=g加速下降時，物體所受的合力大小等于重力，故彈簧秤對物體的無拉力。所以彈簧秤的讀數(shù)為零。定量分析：根據(jù)牛頓第二定律得 Tmg=ma所以 T=mgma=mgmg=0由此引出失重中的一個特殊現(xiàn)象完全失重概念，即物體具有向下加速度且大小等于重力加速度時，彈簧秤拉力等于零的現(xiàn)象。值得一提的是定性分析和定量分析要靈活應用，定性分析往往比較直觀、形象，在教學中要引起重視。演示實驗：失重現(xiàn)象（1） 實驗裝置如圖62所示，桿處于水平平衡，若將鐵鏈一端的細繩燒斷，桿還會平衡嗎？為什么？（2） 動手分組實驗：如圖63，取一可樂瓶，在瓶底部打一小孔，在瓶中盛一定量的水，水將從小孔中流出。若將可樂瓶從空中自由落下，水會從小孔中流出嗎？請解釋為什么？如果可樂瓶是向上拋出呢？ （三）超重和失重現(xiàn)象的利與弊1超重現(xiàn)象與人的生理反應（1） 問題：飛船發(fā)射時加速上升，宇航員處于超重狀態(tài)，而且發(fā)射時由于加速度很大，超重很“嚴重”，體內(nèi)血液往下肢“墜”，一方面造成血管承受壓力加大，另一方面造成血液循環(huán)困難，腦部會出現(xiàn)缺血和缺氧現(xiàn)象。為了減少超重對人的生理影響，飛船發(fā)射時，宇航員成什么姿勢較好？（設計本問題的目的是希望學生能夠關注超重環(huán)境對生命系統(tǒng)帶來的影響，把學科間的知識聯(lián)系起來，培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力。）（2） 超重環(huán)境模擬儀：為了訓練宇航員適應超重環(huán)境，宇航員要在超重環(huán)境中進行訓練。如圖64所示就是超重環(huán)境模擬儀，當訓練艙旋轉時，艙處于超重狀態(tài)。 （可用照片和視頻圖象展示，對于其中的原理可不做解釋，但是可以給學生一個懸念這是圓周運動的知識，其目的是為了進一步激發(fā)學生探究新知識的欲望，是后續(xù)教學的一個“伏筆”。）2 失重現(xiàn)象視頻展示：宇宙員在空間站工作和生活畫面，最好含有宇航員喝水畫面。（在失重狀態(tài)下水成球形，也可用一個模擬實驗展示。取一玻璃瓶，裝入半瓶水，后再往瓶中倒入一勺食用油。最后往瓶中逐漸加入酒精，并搖動瓶子直到油成球形。原理：當水和酒精混和液的密度等于油的密度時，油滴受到重力與浮力平衡，此時油在表面張力作用下成球形）想象活動：根據(jù)你對失重現(xiàn)象的理解，想象，在地面上的生產(chǎn)、生活或?qū)嶒灛F(xiàn)象在在失重情況可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象或產(chǎn)生什么影響，這些現(xiàn)象有什么有利一面和不利另一面，不利的一面如何克服？有利的一面可能有什么應用？（例如：太空飲食問題，太空中排泄問題，太空中睡覺問題。太空中泡沫金屬，太空中的晶體生長，太空中懸浮冶煉等等。）（本環(huán)節(jié)設計的目的是希望學生不僅理解失重現(xiàn)象，而且能夠把這種現(xiàn)象與生活、生產(chǎn)聯(lián)系起來。一方面是為了培養(yǎng)學生探究新問題的能力，另一方面是培養(yǎng)學生解決實踐問題的能力，再一方面是為了培養(yǎng)學生的想象能力，進而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。）失重環(huán)境是一個特殊環(huán)境，它對生物生長或物理現(xiàn)象、化學現(xiàn)象等產(chǎn)生影響。為了鼓勵青少年創(chuàng)新，同時也為了充分應用失重環(huán)境或微重力環(huán)境的寶貴資源，美國國家航空航天局（NASA）每次發(fā)射航天飛機之前，在世界各國中學生中征集飛船搭載實驗方案，我國中小學生設計的方案曾被選中，例如，1990年，18歲的俞緯設計的“草履蟲生成”實驗項目從全國7000多個太空搭載實驗項目中脫穎而出，被美國國家航空航天局選中，搭乘“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機進行了太空實驗。xx年，中國女生李桃桃提出的“蠶在太空吐絲結繭”搭載實驗，由美國“哥倫比亞”號航天飛機送入太空，遺憾的是“哥倫比亞”號返回時墜毀，失去了寶貴觀察記錄。我國從87年開始開展太空搭載實驗，取得了不少實驗成果，從xx年開始，利用返回式衛(wèi)星開展有償征集太空搭載實驗，云南省金實小學的學生申請的“跳舞草種子”搭載實驗方案獲得通過，并由我國第18個返回式衛(wèi)星送上太空。以上有關方面的具體情況可上網(wǎng)查閱相關資料。課外實踐：（1）到賓館乘坐電梯，體驗賓館電梯起動或停止時間人的感受?；虻接螛穲龈惺苓^山車或極速升降機（2）上網(wǎng)查看超重和失重相關資料三 案例評析本教學案例設計，在設計思路上突出了生活性、問題性、主體性、時代性和創(chuàng)新性。本節(jié)開始，引入話題是一個人人都能體驗的很生活化現(xiàn)象人的下蹲過程，但是從中引出的問題人對地面的壓力如何變化？卻不是一個人人都能回答正確的問題，而且這個問題緊緊扣住了本節(jié)的中心內(nèi)容。這個問題的答案先從實驗給出，然后尋求理論上解釋。這種“先果后因”處理手法，其目的是為了讓學生的預測結果與實驗結果可能形成更多思維上沖突，有助于激發(fā)學生進一步探究的欲望。解決問題過程始終體現(xiàn)學生主體參與的設計理念。本節(jié)內(nèi)容是應用牛頓定律解決實際問題的課題，課堂中設計許多系列小問題，目的是把學生推到問題之中，并且由學生自行解決，一方面讓學生在解決問題過程中暴露新問題，從而捕捉課堂有用信息，共享信息資源，解決了學生中最有針對性的問題；另一方面培養(yǎng)學生解決實際問題的能力 ，這種從“問題到問題”，從“學生到學生”的設計，體現(xiàn)了課堂教學“以生為本”的設計思想。教學中設計幾個小環(huán)節(jié)視頻展示、想象活動、相關鏈接等內(nèi)容具有很濃的時代氣息，不僅抓住了當代中學生學習的心理特點，激發(fā)學生學習興趣，同時有助于培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力，這是目前中學教學中要特別關注的問題。