超重和失重的教學(xué)設(shè)計(jì)與科學(xué)素養(yǎng)的提升

李哲君+蘇卡林+李科敏+李奇云+羅良

摘 要：在“超重和失重”的教學(xué)設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)計(jì)一系列有趣的實(shí)踐體驗(yàn)活動(dòng)和學(xué)生感興趣的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)例學(xué)習(xí)有關(guān)超重和失重的知識(shí)，并注重在這個(gè)教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：超重和失重；教學(xué)設(shè)計(jì)；學(xué)習(xí)興趣；科學(xué)素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）9-0073-4

1 引 言

科學(xué)素養(yǎng)是指人們應(yīng)該具備的科學(xué)知識(shí)與技能、科學(xué)過(guò)程與方法、科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀，以及運(yùn)用相關(guān)知識(shí)和方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力?！疤岣呷w學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”是物理教育的目標(biāo)和歸宿。在“超重和失重”的教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列有趣的實(shí)踐體驗(yàn)活動(dòng)和學(xué)生感興趣的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)例學(xué)習(xí)有關(guān)超重和失重的知識(shí)，并注重在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

“超重與失重”是高中學(xué)生在學(xué)完牛頓運(yùn)動(dòng)定律之后，學(xué)習(xí)遷移和應(yīng)用重點(diǎn)知識(shí)的內(nèi)容。學(xué)好“超重與失重”，不僅可以加深對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律等重點(diǎn)知識(shí)的理解和對(duì)相關(guān)現(xiàn)代技術(shù)的把握，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。但對(duì)一個(gè)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，要正確理解“超重與失重”的本質(zhì)是個(gè)難點(diǎn)。下面，我們利用一系列有趣的實(shí)踐體驗(yàn)活動(dòng)和學(xué)生感興趣的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生在“實(shí)踐體驗(yàn)” 和“合作交流”的過(guò)程中，建構(gòu)和理解“超重與失重”的知識(shí)。

2.1 設(shè)置懸念，引入新課內(nèi)容

[教師演示] 如圖1所示，教師將一臺(tái)能夠稱出物體重力的電子秤放在講臺(tái)上，在電子秤上放置一個(gè)透明的玻璃箱，箱內(nèi)頂部懸掛一個(gè)彈簧，彈簧下端系有一重物G。

（1）當(dāng)重物G靜止時(shí)，讓學(xué)生觀察電子秤的示數(shù)是否穩(wěn)定，并讀出電子秤托盤中物體（包括玻璃箱、彈簧和重物G）的重力是多少？

（2）教師講解：如果用手撥動(dòng)彈簧下端的重物G，使重物G上下振動(dòng)。

學(xué)生思考：在重物G上下振動(dòng)的過(guò)程中，電子秤托盤中物體（包括玻璃箱、彈簧和重物G）的重力是否改變？為什么？（答案：不變。因?yàn)镚=mg，m和g兩個(gè)量都與重物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。）

學(xué)生猜想：在重物G上下振動(dòng)的過(guò)程中，電子秤的示數(shù)是多少？說(shuō)明自己猜想的理由，并與同桌同學(xué)交流。

（3）教師指導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在重物G上下振動(dòng)的過(guò)程中，電子秤的示數(shù)竟然不穩(wěn)定，時(shí)大時(shí)小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓人感到十分驚奇！

電子秤這時(shí)的示數(shù)為什么會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象呢？這就是今天要學(xué)習(xí)的“超重和失重”在起作用。

設(shè)計(jì)意圖：指導(dǎo)學(xué)生觀察奇怪的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以此來(lái)引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生的探究熱情與求知欲。

2.2 實(shí)踐體驗(yàn)，感受超重與失重

將全班學(xué)生分成若干個(gè)學(xué)習(xí)小組，每組4～6人，以學(xué)習(xí)小組的形式開(kāi)展體驗(yàn)和討論。

利用自制的超重和失重演示儀，如圖2所示，引導(dǎo)學(xué)生分組開(kāi)展以下3個(gè)實(shí)踐體驗(yàn)活動(dòng)。

超重和失重演示儀的兩個(gè)定滑輪固定在架子上，一根細(xì)線跨越這兩個(gè)定滑輪，其兩端各與一個(gè)彈簧秤相連。

[學(xué)生體驗(yàn)1]在兩個(gè)彈簧秤的掛鉤上各掛3個(gè)鉤碼，使兩邊彈簧秤靜止不動(dòng)，觀察兩個(gè)彈簧秤的示數(shù)。（現(xiàn)象：兩個(gè)彈簧秤的示數(shù)相等，彈簧秤掛鉤這時(shí)受到的拉力F，都等于3個(gè)鉤碼的重力之和G，即F=G）。

[學(xué)生體驗(yàn)2] 先在兩個(gè)彈簧秤的掛鉤上各掛3個(gè)鉤碼使兩彈簧秤保持靜止，再在左邊彈簧秤的掛鉤上加掛1個(gè)鉤碼，觀察左右兩端鉤碼的運(yùn)動(dòng)情況和右端彈簧秤的示數(shù)變化。

學(xué)生觀察得出：左端鉤碼加速下降；右端鉤碼加速上升；右端彈簧秤的示數(shù)增大。在右端鉤碼加速上升時(shí)，右端彈簧秤掛鉤受到的拉力F增大，且大于其下鉤碼的重力之和G，即F>G。

[學(xué)生體驗(yàn)3] 先在兩個(gè)彈簧秤的掛鉤上各掛3個(gè)鉤碼使兩彈簧秤保持靜止，再在左邊彈簧秤的掛鉤上減掉1個(gè)鉤碼，觀察左右兩端鉤碼的運(yùn)動(dòng)情況和右端彈簧秤的示數(shù)變化。

學(xué)生觀察得出：左端鉤碼加速上升；右端鉤碼加速下降；右端彈簧秤的示數(shù)減小。在右端鉤碼加速下降時(shí)，右端彈簧秤掛鉤受到的拉力F減小，且小于其下鉤碼的重力之和，即F

[師生總結(jié)] 我們把物體對(duì)彈簧秤掛鉤的拉力大于物體重力的現(xiàn)象，叫做超重現(xiàn)象，這時(shí)物體所處的狀態(tài)叫做超重狀態(tài)；把物體對(duì)彈簧秤掛鉤的拉力小于物體重力的現(xiàn)象，叫做失重現(xiàn)象，這時(shí)物體所處的狀態(tài)叫做失重狀態(tài)。并引導(dǎo)學(xué)生從重力的決定因素出發(fā)分析得出：不論物體處于超重狀態(tài)還是失重狀態(tài)，它的重力始終保持不變。

[學(xué)生體驗(yàn)4]在上述學(xué)生體驗(yàn)活動(dòng)2和3中，再觀察左端彈簧秤的示數(shù)與其下鉤碼的重力之和分別有什么關(guān)系？

設(shè)計(jì)意圖：利用自制的超重和失重演示儀器，讓學(xué)生能夠直觀地看到：在超重或失重中，“物體對(duì)彈簧秤掛鉤的拉力”與“物體重力”“物體加速度”的關(guān)系，為理解和掌握超重和失重的本質(zhì)提供了素材和基礎(chǔ)。

[學(xué)生體驗(yàn)5] 如圖3所示，用一紙帶拉著砝碼向上做勻速運(yùn)動(dòng)或者保持靜止，可以看到紙帶完好無(wú)損；再用紙帶拉著砝碼突然向上做加速運(yùn)動(dòng)，可以看到紙帶斷裂。

學(xué)生討論：砝碼在突然向上做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，砝碼的加速度的方向向 （選“上”或“下”）；它對(duì)紙帶的拉力 （選“大”或“小”或“等”）于鉤碼的重力；此時(shí)砝碼處在 重狀態(tài)（選“超”或“失”）（答案：“上”；“大”；“超”）。

[學(xué)生體驗(yàn)6] 指導(dǎo)學(xué)生制作實(shí)驗(yàn)器材并體驗(yàn)：如圖4所示，在礦泉水瓶靠近底部的側(cè)壁和瓶蓋上各開(kāi)一小孔，用手指堵住側(cè)壁上的小孔，向礦泉水瓶?jī)?nèi)裝滿有色水，蓋上瓶蓋。打開(kāi)側(cè)壁和瓶蓋上的小孔，觀察有色水從瓶的側(cè)壁小孔成拋物線噴出；再讓礦泉水瓶做自由落體運(yùn)動(dòng)，觀察瓶中的有色水在下落過(guò)程中還會(huì)不會(huì)流出。學(xué)生動(dòng)手體驗(yàn)，并討論為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象？（答案：因?yàn)樵诘V泉水瓶做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，瓶和有色水都向下做加速運(yùn)動(dòng)，瓶中的有色水處于失重狀態(tài)，由于沒(méi)有受到足夠大的壓力而不會(huì)從側(cè)壁小孔中噴出。）

設(shè)計(jì)意圖：指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐體驗(yàn)活動(dòng)，加深對(duì)超重和失重中各個(gè)力的認(rèn)識(shí)和理解。

2.3 研討案例，探究新知本質(zhì)

[案例研討] 質(zhì)量為m的某人站在電梯地板上，在以下三種情況下，分別探究電梯地板對(duì)此人的支持力各為多少？

（1）若電梯以速度v豎直勻速上升或者處于靜止?fàn)顟B(tài)；

（2）若電梯以加速度a加速上升；

（3）若電梯以加速度a加速下降。

學(xué)生先利用隔離法和牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行分析，教師再引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)過(guò)小組討論形成以下共識(shí)：

在題設(shè)三種情況下，人只受到豎直向下的重力和電梯地板對(duì)人豎直向上的支持力的作用。

（1）若電梯以速度v豎直勻速上升或者靜止時(shí)，由二力平衡原理或牛頓第二定律（加速度a=0）可知：電梯地板對(duì)人的支持力F等于人的重力G，即F=G，G=mg。

（2）若電梯以加速度a加速上升時(shí)，由牛頓第二定律可知F-G=ma，由此可得電梯地板對(duì)人豎直向上的支持力F=G+ma>G。由于電梯地板對(duì)人豎直向上的支持力F大于人的重力G，此時(shí)人處在超重狀態(tài)，這就是超重現(xiàn)象。

（3）若電梯以加速度a加速下降時(shí)，由牛頓第二定律可知G-F=ma，由此可得電梯地板對(duì)人豎直向上的支持力F=G-ma

進(jìn)一步討論：在以下兩種情況下電梯地板對(duì)人的支持力的大小有何特點(diǎn)？（1）如果人和電梯在豎直向下的方向同時(shí)做自由落體運(yùn)動(dòng)（即物體沿著豎直向下方向運(yùn)動(dòng)的加速度a=g）；（2）如果人和電梯處在遙遠(yuǎn)的太空（即人不受地球的吸引，其重力G=0），且人處于靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（即人的加速度a=0）。

[師生總結(jié)] 教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)并板書(shū)以下內(nèi)容：超重和失重。

1.如果物體運(yùn)動(dòng)的加速度沿豎直向上的方向，此物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w的重力的現(xiàn)象，稱為超重現(xiàn)象；

2.如果物體運(yùn)動(dòng)的加速度沿豎直向下的方向，此物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w的重力的現(xiàn)象，稱為失重現(xiàn)象；

3.如果對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ榱愕默F(xiàn)象，這被稱為完全失重現(xiàn)象。物體在以下兩種情況下產(chǎn)生完全失重：

（1）物體在豎直向下的方向做自由落體運(yùn)動(dòng)（即物體運(yùn)動(dòng)的加速度a=g）；

（2）物體處在遙遠(yuǎn)的太空不受地球的吸引（即物體的重力G=0）且加速度a=0。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用牛頓第二定律探討超重和失重的本質(zhì)，并在此過(guò)程中，加深對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的理解，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和交流表達(dá)能力。

2.4 學(xué)以致用，培養(yǎng)應(yīng)用能力

[學(xué)生活動(dòng)1] 小組討論：在蹦極運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)員在下落和被彈起的過(guò)程中，其加速度的方向分別在哪里？在什么時(shí)候產(chǎn)生超重、失重現(xiàn)象？（答案：略）

[學(xué)生活動(dòng)2] 小組討論：飛機(jī)在加速升空或加速降落的過(guò)程中，飛機(jī)中的乘客在什么時(shí)候產(chǎn)生超重或者失重現(xiàn)象？（答案：飛機(jī)在加速升空的過(guò)程中，乘客處于超重狀態(tài)；在加速降落的過(guò)程中，乘客處于失重狀態(tài)。身體素質(zhì)不好的人難以承受這些變化而感到十分難受。）

[教師講授] 宇宙飛船、 航天飛機(jī)等航天器在加速升空或加速降落的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很大的加速度，因而會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的超重與失重。此時(shí)，大多數(shù)人都會(huì)因此產(chǎn)生暈迷現(xiàn)象。因而，航天員必須選擇身體素質(zhì)特別好的并經(jīng)過(guò)專門訓(xùn)練才能勝任宇宙飛行。

設(shè)計(jì)意圖：利用學(xué)生感興趣的問(wèn)題，構(gòu)建討論和思考的學(xué)習(xí)環(huán)境，促使學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生感到所學(xué)知識(shí)親切、有趣、有用。

[學(xué)生活動(dòng)3] 小組討論：假設(shè)地球上所有物體的重力消失，猜想會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？（答案：此時(shí)人們將處于完全失重狀態(tài)；周圍的物體將飄在空中；人們站著睡覺(jué)與躺著睡覺(jué)一樣舒服；食物要做成塊狀或牙膏似的糊狀，以免食物的碎渣“漂浮”在空中，進(jìn)入人們的眼睛和鼻孔……）

設(shè)計(jì)意圖：利用該事例培養(yǎng)學(xué)生的想象能力和發(fā)散思維能力。

[教師講解1] 教師播放有關(guān)教學(xué)視頻，講解：在完全失重的條件下，熔化了的金屬液滴，其形狀將呈現(xiàn)出絕對(duì)球形，冷卻后可以制成最理想的滾珠。

[教師講解2] 玻璃纖維是現(xiàn)代光纖通信的基本材料，它的直徑只有幾十個(gè)微米，是一種非常細(xì)的玻璃絲。在地面上，難以制造出長(zhǎng)度達(dá)到實(shí)用水平的玻璃纖維，因?yàn)檫€沒(méi)有等到液態(tài)的玻璃絲完成自身的凝固過(guò)程，它就會(huì)在自身重力的作用下迅速斷裂而處于粉碎狀態(tài)。若在完全失重的太空軌道上，因?yàn)椴ＡЫz處于完全失重狀態(tài)，因而就可以成功制造出幾百米長(zhǎng)的這種實(shí)用玻璃纖維。

[教師講解3] 在完全失重的太空軌道上，還可以制造一種新型有趣的泡沫材料，即泡沫金屬。在完全失重的條件下，若在液態(tài)的金屬中通入氣體，氣泡既不出現(xiàn)“上浮”，也不可能“下沉”，它將會(huì)均勻地分布在液態(tài)金屬中，凝固后就可以得到內(nèi)含大量氣泡的泡沫金屬。這樣就可以得到輕得像軟木塞似的泡沫金屬，用它做出來(lái)的飛機(jī)機(jī)翼等物品既輕又結(jié)實(shí)。

設(shè)計(jì)意圖：利用有關(guān)事例，拓寬學(xué)生的知識(shí)視野，向?qū)W生展示新學(xué)知識(shí)的巨大作用，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的熱愛(ài)之情，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2.5 歸納總結(jié)，把握重點(diǎn)知識(shí)

（略，見(jiàn)2.3“師生總結(jié)”的內(nèi)容）。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)歸納總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生把握新學(xué)的重點(diǎn)知識(shí)。

2.6 布置作業(yè)，培養(yǎng)研究能力

1.超重和失重的本質(zhì)是什么？并解釋圖1中的重物G在上下振動(dòng)的過(guò)程中，電子秤的示數(shù)為什么會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象？

2.查閱資料，針對(duì)物體超重和失重的特點(diǎn)寫(xiě)一個(gè)研究報(bào)告，分別給出1個(gè)案例，說(shuō)明人們是怎樣利用它們的優(yōu)點(diǎn)？又是怎樣避免它們的缺點(diǎn)？

設(shè)計(jì)意圖：鞏固新知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的研究能力，并讓學(xué)生知道科學(xué)也是一把雙刃劍，要學(xué)會(huì)創(chuàng)造條件利用科學(xué)知識(shí)的優(yōu)點(diǎn)和限制它的不足。

3 我們的體會(huì)

在此“超重和失重”的教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們結(jié)合中學(xué)生的生活實(shí)際和年齡特點(diǎn)給學(xué)生構(gòu)建“實(shí)踐體驗(yàn)”和“合作交流”的學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生觀察、體驗(yàn)、交流和思考，從而“發(fā)現(xiàn)”和掌握“超重和失重”的本質(zhì)，并通過(guò)對(duì)一系列實(shí)際問(wèn)題的研討和應(yīng)用案例的介紹，促使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的新知識(shí)思考和解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，并注重在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。這種教學(xué)設(shè)計(jì)，筆者已經(jīng)在岳陽(yáng)市第十五中學(xué)進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生們普遍認(rèn)為這種教學(xué)設(shè)計(jì)親切、易懂、有用、有趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]李科敏，李奇云，蘇卡林，徐旭玲.教學(xué)設(shè)計(jì)要注重三維教學(xué)目標(biāo)的和諧達(dá)成[J].物理教學(xué)探討，2015，33（10）：69-71.

[2]李哲君.“聲音的產(chǎn)生與傳播”教學(xué)設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)[J].物理教學(xué)探討，2017，35（1）：74-76.

（欄目編輯 鄧 磊）