2023学年度 超重和失重教学设计

《超重和失重》教学设计【教材分析】本部分内容讲述超重和失重现象及其产生原因，并且将其应用在具体问题中：如电梯中的超失重和体重秤上的超失重等。超重和失重的基本定义为：视重大于重力时为超重；视重小于重力时为失重；超失重时物体重力并不改变。对超重和失重理解可以从运动学和动力学两个角度理解。运动学角度：当物体加速上升或减速下降时，物体处于超重状态；当物体加速下降或减速上升时，物体处于失重状态。动力学角度：当物体具有向上的加速度时，物体处于超重状态；当物体具有向下的加速度时，物体处于失重状态。前者为表象，后者为本质，两者为递进关系。超重和失重是生活中的常见现象，因此讲解本部分内容时应尽量贴近生活，从生活中来，到生活中去，过程应多安排些学生的动手实验机会，让学生有切身的体会，同时也应安排些思考和探讨的话题，引发学生的思考和讨论，加深学生对超失重的理解。

【学生情况分析】1．自然状况：学生为高一年级一个普通班，学生的学习基础处于年级中等水平，但班级中有一部分学生思维较活跃；2．知识基础：前面学生已经学习并较好掌握了运动学和牛顿运动定律知识，这为超重和失重学习打下一个比较好的基础；3．技能基础：本节课要进行DIS实验，学生在前面已经多次使用过DIS实验系统，尤其对力传感器已经比较熟悉，一些基本的研究方法也已掌握到位，所以授课过程中实验操作对课堂基本上不会产生影响。

【教学目标】

知识与技能：1．了解超重与失重现象；2．运用牛顿第二定律研究超重与失重现象；3．运用超重与失重知识解决实际生活中的问题。

过程与方法：1．体会应用DIS系统研究物理问题的过程；2．体会运用牛顿第二定律解决问题的方法。

情感态度价值观：通过对神舟六号的研究，增强民族自豪感，激发学习的动力。

【教学重难点】1．理解超重与失重现象的力学本质；2．了解完全失重现象；

3．运用超重与失重的原理解决实际问题。

【教学设计思想】1．以随堂小实验和DIS实验探究为核心(1)感受超失重；(2)DIS实验研究超失重(3)DIS实验探究完全失重；(4)观察水瓶的完全失重现象。

2．以递进式的问题为引导(1)什么是超失重现象？(2)什么情况下会发生超失重现象？(3)超失重现象的力学本质是什么？(4)什么是完全失重？其力学本质是什么？(5)怎样运用超失重知识解决实际问题？

3．以神舟六号发射过程中的超失重现象的为背景(1)神舟六号发射和在太空中飞行时有超失重现象；(2)神舟六号的超失重现象也有其力学本质；(3)如何为神舟六号设计超失重环境？

【教学器材】DIS实验系统，细线，钩码，体重秤，水瓶

【教学过程流程图】

【教学过程】

课堂引入：神舟六号发射过程（视频），费俊龙太空翻跟头图片。

(1)2022年10月12日上午9点整，长征二号载着神舟六号，并且也载着两位宇航员（费俊龙和聂海胜）顺利发射。在升空过程中据航天专家介绍，“神六”的两位航天员身体要承受相当他们自身重力4倍的重量。这是什么现象呢？(2)当飞船进入太空后，宇航员在飞船中处于一种特殊的状态──漂浮，我们的宇航员费俊龙还即兴翻了两个跟头。这又是什么现象呢？以上两种现象就是我们今天要学习的超重和失重现象。那么什么是超重和失重呢？它们实际上在我们的生活中处处可见，我们随时都能感受超重和失重。

一、超重和失重现象课堂实践：(1)用手托住钩码，并保持静止，感受钩码的重力大小。(2)手从静止开始突然向上运动，再从静止开始突然向下运动，过程中有何感受？(3)用细线将钩码系住，手提另一端，重复刚才的动作，过程中又有何感受？

学生回答：(1)突然向上运动时钩码好像变重，突然向下运动时钩码好像变轻。(2)突然向上运动时细线崩断了，拉力增大，超过细线的最大拉力。课堂思考：真的是钩码的重力变化了吗？没有，根据G=mg可知重力不变。那么，过程中什么量发生了变化？钩码对手的压力和钩码对细线的拉力发生了变化。

定义：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于重力的现象称为超重现象。物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于重力的现象称为失重现象。

注意：物体处于超重或失重状态时，其本身重力并没发生变化！

二、超重和失重现象的研究

刚才的简易实验并不能对超失重进行准确的研究，我们可以借助DIS实验室进行进一步研究，今天我们采用专业软件。1．实验探究：物体做什么运动时会发生超重或失重现象？

DIS实验思考：(1)怎样测量重力大小？(2)怎样判断是否处于超重或失重状态？(3)哪种运动过程对应超重现象？哪种运动过程对应失重现象？

实验步骤：(l)用力传感器挂着物体处于静止状态时，读出拉力大小，即重力的大小；(2)用力传感器挂着物体向上突然加速，观察拉力随时间的变化规律，并分析超失重状态。(3)用力传感器挂着物体向下突然加速，观察拉力随时间的变化规律，并分析超失重状态。

实验提示：(1)尽量先简化过程，只观察上升过程或只观察下降过程；(2)上升过程可以分解成哪些运动阶段？下降过程可以分解成哪些运动阶段？(3)注意力的变化规律一定要和运动过程一一对应。

学生总结：

当物体加速上升时，拉力大于重力，物体处于超重状态；当物体减速上升时，拉力小于重力，物体处于失重状态。当物体加速下降时，拉力小于重力，物体处于失重状态；当物体减速下降时，拉力大于重力，物体处于超重状态。

2．原理分析课堂思考：为什么上面4种情况对应不同的超重和失重情况？我们学习了牛顿第二定律，知道如果已知物体的运动情况，就可以来求解物体的受力情况，请大家结合牛顿第二定律来分析超重和失重的原理。当物体向上加速时或向下减速时，加速度向上，由F合=ma知，合力向上，F合=T-mg>0，T>mg，所以物体处于超重状态；当物体向上减速时或向下加速时，加速度向下，由F合=ma知，，合力向下，F合=T-mg<0，T<mg，所以物体处于失重状态；超重和失重的力学特征：(1)超重：物体具有向上的加速度，合力向上，F合=T-mg>0，T>mg;(2)失重：物体具有向下的加速度，合力向下，F合=T-mg<0，T<mg。

课堂思考：超重或失重状态与物体的速度方向有关吗？无关，关键看加速度方向。

思考分析：长征二号载着神舟六号发射过程中，两位航天员的超失重情况如何？

三、完全失重现象

课堂演示：有一个水瓶，靠近它底部的侧边有一小孔。先甩手堵住小孔，正常情况下，松开手，水就会喷射出来。如果让它从空中自由下落，则会看到什么现象？为什么？实验探索：用力传感器挂着物体，突然松手，观察拉力大小。

定义：当物体对支持物或悬挂物完全没有作用力时，物体好像完全没有了重力，这种状态称为完全失重状态。

课堂思考：完全失重时物体对悬挂物的拉力为什么为零？

由牛顿第二定律得：F合-=mg-T=ma，因为a=g，所以得：T=ON课堂思考：完全失重的力学特征如何？

物体具有向下的加速度，且a=g，F合=mg，其对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）等于零。

思考分析：为什么水瓶自由下落时水就不喷射出来？

水瓶自由下落时，瓶小孔上方的水对小孔附近水的压力为零。

课堂思考：结合完全失重的力学特征，分析哪些情况下产生完全失重现象？

(l)自由落体

课堂思考：物体只有自由落体时才出现完全失重现象吗？

匀变速运动的学习过程中我们还学习过一种特殊的运动──竖直上抛，物体的合力也等于重力，上抛过程中也处于完全失重状态。

(2)竖直上抛

实验验证：将水瓶上抛，观察水喷射情况，发现水停止喷射。

课堂思考：还有其他完全失重的情况吗？

*向任何方向抛出的物体都处于完全失重状态。*

(3)绕地飞行

关于第(3)种产生完全失重的方式，以后会学习，有兴趣的同学可以预习第二册课本内容。

四、运用超重和失重知识解决实际问题

1．人站在体重秤上，在人下蹲过程或站起过程中，体重秤示数如何变化？为什么？2．请为我国的航天员设计超重和完全失重环境，让他们进行超重和失重的训练。

要求：完全失重时间至少为30秒，超重时人对支持物的压力为重力的6倍。

【实验参考图线】

1．将物体上提和下放过程中的超重和失重图线

2．物体由被支撑到完全失重时的图线

【教学反思】

1．设计好实验是前提

物理学是以实验为基础的学科，很多概念和规律的建立都需要有一个实验操作的过程，所以做好实验是学好物理知识的前提。本节课中设计有随堂小实验，DIS探究实验，课中教师演示实验，从各个层面帮助学生理解超失重知识。

2．关注实验的操作和分析是重点

物理实验过程不能是简单放任过程，而应该关注学生在操作过程中的各项细节，以及对实验现象和数据的分析与处理，都应给予及时的指导：在实验过程中教师可以关注：学生为了达到实验目的而采取的实验策略；为了减小实验误差而进行的实验调整，实验操作完成后的数据分析与处理等等。

3．科学探究的过程是灵活的

科学探究是物理学习过程中的一种手段，它可以帮助学生更好地学习物理知识，加深对物理知识的理解，我们的物理课堂需要科学探究，但不是生搬硬套的科学探究完整流程，而是灵活的采用科学探究的某个环节或某几个环节，如本节课中有的实验只需要简单体会一下即可，而有的实验需要精心设计和测量，并要有一定的猜想与假设。

同时科学探究不等于科学实验，没有物理实验也可以进行科学探究，那是思维探究，这也是一种很好的探究方式，且很多时候更适合与高中学生。如本节课中从力学本质上对超失重的分析就属于思维上的科学探究。

4．科学实验探究能否高效

这是一个困扰大家的问题，物理实验的进行会延缓课堂的进程和容量，使课堂效率降低，如何解决好这样的问题呢？我自己认为可以从以下几方面加以改进：

(1)增加课前的培训，磨刀不负砍柴功，