人教版(2019)高中物理必修第一册4.6超重和失重教学设计

4.6超重和失重教学设计【课标分析】《物理课程标准》要求学生“理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。通过实验，认识超重和失重现象。”并建议“通过各种活动，例如乘坐电梯、到游乐场参与有关活动等，体验失重与超重。”《普通高中物理课程标准解读》指出，在用牛顿定律解决问题的教学中（包括超重和失重），要重视让学生体会用牛顿运动定律解决问题的思路，逐步形成运动和相互作用的观念，以牛顿运动定律为知识载体，提升物理素养水平。【教材分析】“超重和失重”安排在牛顿运动定律后知识的迁移和应用部分，是本章重要的应用型知识点。学生已经能够根据二力平衡求出物体重力，学过牛顿第二、第三定律，但是理性思维还未达到一定的层次，要理解超重与失重这一抽象概念还有一定的困难；其次，学生在生活中形成的表象有些是错误或片面的，建立物理模型解决实际问题的能力还有待提高。【学情分析】在学生方面，授课对象是高一的学生，基于文献分析和实践经验，从知识背景、能力基础和认知困难三个方面讨论学情。1.知识背景方面学生已经完成了运动学、静力学以及动力学的学习，但知识处在理论层面，对于概念的理解还很抽象，对于如何应用牛顿运动定律解决具体情境下的问题还存在困难。2.在能力基础方面学生具备一定的分析综合和推理论证能力，但对于高一的学生来说，进一步发展这些能力是我们教学的重点。3.在认知困难方面（1）学生分析问题时不明确研究对象，也不注意分辨平衡力和相互作用力；（2）学生会误认为弹簧秤的示数就是物体重力的大小，因此超重和失重是物体实际重力的增减；（3）通过速度方向判断物体是超重还是失重，因此学生会误认为在下蹲（或电梯向下运动）过程中只有失重状态，并且由速度大小来判断物体超重或失重的程度。【教学目标】基于教材分析和学情分析，从落实物理学科核心素养的角度设置以下教学目标：（1）通过观察、体验或者实验，以弹簧测力计提拉钩码在竖直方向的运动实验为例，认识超重和失重（包括完全失重）现象。（科学探究）（2）通过观察同伴站在体重计下蹲和起立过程体重计示数变化（或其他方式），发现超重和失重现象产生的条件，总结概括出超重和失重的概念。（物理观念）（3）以人在电梯中的运动为例，探究产生超重和失重现象的动力学原理，理解超重和失重现象的本质。培养学生从实际情境中捕捉信息、发现问题并提岀问题的能力，促进理论认知。（科学思维）（4）通过丰富的课程资源（包括实验、视频等）及分层的应用设计，了解超重和失重现象在各个领域中的应用，解释生活中的超重和失重现象，特别是太空中的完全失重现象，提升解决实际问题的能力，达成学科素养的提升。（科学态度与责任）【重点、难点】1.重点：把超重和失重现象与牛顿运动定律联系起来，探究现象本身和加速度的内在联系。2.难点：设计问题梯度，筛选教学资源，设计典型实验，引导学生探究，控制讨论交流时间是本节的难点。【教学策略与手段】“情景——问题——探究——结论——应用——创新”的学生自主探究教学模式。【课前准备】分组：（1）钩码拉断纸带实验；（2）弹簧秤悬挂钩码实验。演示：（1）体脂称、乐播投屏；（2）矿泉水瓶、水；（3）超重、失重状态剪辑录象。【教学过程】【课前自主学习】重力的测量（教材101页第1、第2自然段）方法一：先测量物体做自由落体运动的____加速度g_______，再用__天平__测量物体的质量，利用牛顿第二定律可得___G＝mg______。方法二：利用力的平衡条件对重力进行测量。将待测物体悬挂或放置在测力计上，使它处于__静止___状态。这时物体所受的重力和测力计对物体的拉力或支持力的大小_相等__，测力计的示数反映了物体所受的重力大小。【导入新课】[活动]小魔术：将钩码悬挂在纸带上，同学们能否用一只手将让纸带断裂？(全体学生)[活动]小轻功：将面巾纸放在两本书的中间，同学们能否将面巾纸抽出，而不让面巾纸断裂？（学生代表）[设计意图]通过小魔术、小轻功，激发学生的兴趣，让学生“随景入境”，从物理学视角发现可探究的物理学现象。快速导入新课，并对新知充满探究欲望。【讲授新课】(二)新课教学1.确立一个清晰研究科学问题的线索[教师]关于超重和失重，你想了解些什么？引导学生梳理出以下三个问题：（1）什么是超重与失重现象？（是什么）（2）为什么会出现超重与失重？（为什么）（3）如何应用超重与失重解决一些实际问题？（怎么用）[设计意图]学生认识到高中物理概念和规律探究的一般思路，即围绕核心概念搞清楚是什么-为什么-怎么用，即解决三个“W”（what,why,how）。2.以观察、体验和实验切入问题，促进学生实验认知形成实验认知的形成通常要经历观察或体验物理现象--挑选研究对象--明确研究问题--量化描述性质--寻找实验规律这几个思维程序。为了促进学生的实验认知，本节课的设计有：(1)体验：①引导学生谈坐山车、乘直梯上升和下降时的超重与失重感受。（眩晕的感觉）②突然下蹲或起立的过程，也存在超重、失重。(2)观察：[活动1]学生站在体脂秤上做下蹲和起立动作，用乐播投屏观察学生对体脂秤的压力F的变化。[设计意图]从生活中的测量体重谈起，让学生体会物理源于生活。通过体验和观察人在体重计上下蹲过程中，体重计示数出现了先小于重力后又大于重力的现象,初步形成对超重和失重的感性认识，即超重就是视重大于重力，失重是视重小于重力的现象，解决了“是什么”的问题。（3）实验操作：[活动2]学生进行分组实验。用弹簧测力计悬挂一钩码向上、向下运动一段距离，观察并记录实验现象。重复多次实验，同桌交流经验。[设计意图]引导学生思考“为什么”，产生上述现象的原因是什么？即隐藏在上述现象背后深层次的、更本质的原理是什么，向理论认知过渡。3.寻找现象背后的原理，促进理论认知理论认知的形成通常要经历构建模型、建立公理认知和实验证伪检验等思维活动。[活动3]如图为用力传感器得出的某同学对体脂秤的压力随时间的变化图像。[问题]为什么出现这种图线？[学生]应用牛顿运动定律分析下蹲过程，人经历了加速向下和减速向下两个阶段，在加速向下时视重小于物体的重力，而减速向下阶段视重超过了物体的重力。而在起立过程中，人经历了加速向上和减速向上两个阶段,先超重后失重，学生能够清晰地阐述出现超重与失重现象的原因。[设计意图]通过对以上实例的剖析，让学生体会如何将生活当中一个复杂的过程划分为几个简单的物理过程。这种解决问题的策略与方法，对学生以后解决类似实际问题会产生很好的启发作用。[活动4][教师]通过对上述研究和分析过程进行总结,哪位同学尝试给超重和失重下一个定义？[学生]物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的现象，叫作失重；物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的现象，叫作超重。[教师]超重和失重都满足什么原理呢？[学生]牛顿运动定律。学生对超重与失重现象的认知随着实验和理论的认知不断发展,其对超重与失重的描述就越来越接近其本质。[设计意图]引导学生尝试由生活中的超重和失重现象，提炼概括出超重和失重的概念，让学生体会建立物理概念和规律的常用方法及意义。提出超重与失重遵循的共同原理，旨在引导学生认识到超重和失重是牛顿运动定律的应用，引导学生将所学内容及时构建到动力学体系中，借此形成解决问题的思路和方法。4.解决实际问题，在应用中促进认知发展应用认知可分为解释已有现象（定性和定量两种）预言可能事件、技术发明创造三个层次。4.1[创设情景]［教师］播放录像：升降电梯中的人与体重计。提出问题：在电梯运行过程中，体重计的示数是怎样变化的?［学生］观察、思考并回答问题。上升过程中：体重计示数先增大后减小；下降过程中：体重计示数先减小后增大。[设计意图]观看视频“升降电梯中的人与体重计”，从实际情境中引出问题。让学生意识到物理问题来源于生活．4.2[提出问题进行探究]［教师］明确分别以人和体重计为研究对象，引导学生探究引起体重计示数变化的原因。［学生］在教师的引导下，从运动状态、受力状态两个角度分析，并运用牛顿第二定律建立力与运动之间的关系。［教师］提出问题并引导学生作出回答：在电梯运行过程中，人和体重计这一整体的运动情况是怎样的?［学生］思考并给出回答：上升过程有三个阶段：加速上升、匀速上升和减速上升；下降过程有三个阶段：加速下降、匀速下降和减速下降。［教师］提出问题并进行解答:在电梯运行过程中，分别说明人和体重计的受力情况是怎样的?［学生］人受两个力：重力mg和体重计对人的支持力FN。［教师］提出问题并进行解答：我们选择电梯上升的过程为例，以人为研究对象，假设人的质量为m，运动的加速度均为a。可以用牛顿运动定律描述力和运动之间的关系吗?［学生］听老师讲解，思考并记录笔记：在上升的过程中，有三个运动状态，以人为研究对象，取竖直向上为正方向，由牛顿第二定律可得。（1）加速上升：FN－mg=ma，即FN＞mg，在这个过程中，体重计的示数反映的是支持力FT，大于实际的重力mg，此时人处于受力不平衡的状态，我们称之为超重。（2）匀速上升：FN－mg=0，即FN=mg，在这个过程中，体重计的示数反映的是支持力FT，等于实际的重力mg，此时人处于受力平衡状态。（3）减速上升：FN－mg=－ma，即FN＜mg，在这个过程中，体重计的示数是支持力FT，小于实际的重力mg，此时人处于受力不平衡的状态，我们称之为失重。师生共同完成下表：运动状态速度方向加速度方向比较FN与mg的大小超重、失重的情况加速上升向上向上>超重匀速上升向上=减速上升向上向下<失重[设计意图]通过对问题的分解，对体重计示数变化这一现象进行分析解释。初步突破认知困难，分析问题明确研究对象，分辨平衡力和相互作用力；明确体重计示数反映的是人和体重计间的压力，因此超重和失重并不是物体实际重力的增减；明确电梯由静止到运动再到静止的单向运动过程中，超重和失重都会出现，并且物体超重或失重的程度取决于合外力的大小。在教师引领下，体验并掌握分析、解决动力学问题的一般过程与方法。发展学生科学推理、科学论证的能力，进一步推动学生的运动与相互作用观的发展。发展学生基于观察提出问题、获取和处理信息、基于证据得出结论并做出解释的能力。4.3[学生自主探究]［教师］提出问题，组织分组讨论与集体分享：请同学们以人为研究对象，运用牛顿运动定律自行分析电梯下降的过程中力与运动之间的关系吗?［学生］思考，讨论后回答问题，并请一组同学进行展示。同理，在下降的过程中，有三个运动状态，以人为研究对象，取竖直向下为正方向，由牛顿第二定律可得。（1）加速下降：mg－FN=ma，即FN＜mg，在这个过程中，体重计的示数反映的是支持力FT，小于实际的重力mg，此时人处于受力不平衡的状态，我们称之为失重。（2）匀速下降：mg－FN=0，即mg=FN，在这个过程中，体重计的示数反映的是支持力FT，等于实际的重力mg，此时人处于受力平衡状态。（3）减速下降：mg－FN=－ma，即FN＞mg，在这个过程中，体重计的示数反映的是支持力FT，大于实际的重力mg，此时人处于受力不平衡的状态，我们称之为超重。学生完成下表：运动状态速度方向加速度方向比较FN与mg的大小超重、失重的情况加速下降向下向下<失重匀速下降向下=减速下降向下向上>超重［教师］我们曾经学过一个特殊的加速度，那就是重力加速度，这时候会有什么特殊的现象呢？带入方程FN-mg=ma，求出视重等于零。电梯故障，自由落体运动时，台秤示数为零，引出完全失重现象。［教师］抛水瓶活动。进行实验操作，提出问题，组织分组讨论与集体分享：把塑料矿泉水瓶的上部扎一个小孔并盖上瓶塞，是为了防止塑料瓶落地时水到处飞溅，又保证水上方与外界的大气压始终相等，下部扎几个小孔。装入一定量的水后，水便从下部小孔流出。教师将水瓶竖直抛下，会发生什么现象呢?你可以解释一下它的原因吗?在同学指出水处于失重状态后，教师此时要进一步强调，由于水瓶向下的加速度是重力加速度，所以此时的失重又称为完全失重状态。同时引导学生初步体会抛体运动在竖直方向上的运动与自由落体运动之间的关系。［学生］观察、思考、讨论后回答问题，并请一组同学进行展示。现象：水瓶在空中飞过，水都没有流出来。原因：当塑料矿泉水瓶和水都处于静止状态时，瓶子下面的水受到上面水的压力，水自然被“压”出来。抛出水瓶后，塑料矿泉水瓶下面的水没有受到上面水的压力(也就是说，液体内部由于液体重力而产生的压强不存在了)，处于失重状态，水自然就不会再流出。[例题]设某人的质量为60kg，站在电梯内的水平地板上，当电梯以0.25m/s2的加速度加速上升时，求人对电梯的压力。g取9.8m/s2。分析人站在电梯内的水平地板上，随电梯上升过程中受到两个力的作用：重力mg和地板的支持力FN，受力分析如图所示。解设竖直向上方向为坐标轴正方向。根据牛顿第二定律，有FN-mg=maFN=m(g+a)=60(9.8+0.25)N=603N根据牛顿第三定律，人对电梯地板的压力FN'为FN'=-FN=-603N人对电梯的压力大小为603N，方向竖直向下。[教师]播放高空蹦极、航天员出仓、水球实验，加深学生对超重、失重的体验。[设计意图]在新情境下多次练习，进一步巩固知识，突破认知困难，力求使学生体会动力学问题的内在本质规律。使学生体会拉力和支持力在此类问题中的内在一致性，并引出完全失重状态。通过小组合作的形式，培养学生分工合作解决问题的能力，进一步发展学生交流、评估、反思的能力。4.4[得出结论]［教师］物体处于超重或失重状态时，物体重力大小是否发生改变？［学生］没有。地球作用于物体的重力始终存在，大小也没有发生变化。［教师］那改变的是什么？[学生]物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)发生了变化，本质上是由于物体受力不平衡，体现出加速或减速的运动状态。［教师］如何判断一个物体是否处于超重或失重的状态?［学生］物体是否处于超重或失重状态，其本质是对受力状态的分析，根据牛顿第二定律，我们可以通过加速度的方向进行判断：（1）物体有向上的加速度，物体超重；（2）物体有向下的加速度，物体失重；（3）当向下的加速度a=g时，我们称之为完全失重；（4）超重、失重、完全失重与速度的大小、方向均无关。[设计意图]归纳概念，夯实基础。将学生的语言规范到科学语言的表达方式。4.5迁移创新［教师］播放视频：太空新旅天宫课堂：航天员展示太空称重。问：这台质量测量仪使用的什么物理原理呢？需要测量直接测量哪几个物理量呢？［学生］牛顿第二定律。力F、加速度a。[设计意图]通过航天器中的情景，激发学生的积极性，力求通过物理学科的学习，保持学生对生活现象的好奇心和探究热情，乐于从物理学视角观察、实验和思考，实事求是，追求创新；善于与人合作、分享。4.6[德育渗透]［教师］刚才我们看了天空一