四川 寇大武

根據(jù)教學(xué)的需要，本文充分利用自制教具，引領(lǐng)學(xué)生深度體驗(yàn)物理探究過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)。

1 引言

《超重與失重》是普通高中物理教材《必修一》中第四章運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系第6節(jié)的內(nèi)容，是運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問題的重要實(shí)例。學(xué)生在學(xué)習(xí)完牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用之后，具備了一定的分析動(dòng)力學(xué)問題的能力。教師講授法可以達(dá)到一定的效果，學(xué)生對(duì)于超重和失重會(huì)有一定的理解，但學(xué)生思維誤區(qū)在于：向上運(yùn)動(dòng)的物體處于超重狀態(tài)，向下運(yùn)動(dòng)的物體處于失重狀態(tài)。為此，本文設(shè)計(jì)了效果良好的自制教具，通過直觀、形象地實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生深度體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、處理實(shí)驗(yàn)圖像、分析實(shí)驗(yàn)原理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 器材準(zhǔn)備

彈簧測(cè)力計(jì)(末端已經(jīng)固定重物)、力學(xué)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦、數(shù)據(jù)線、重物1個(gè)(50 g)，交流電源(220 V)、變壓器(220 V轉(zhuǎn)24 V)、電磁鐵(吸力80 kg)、透明玻璃缸、空心塑料小球1個(gè)(下端固定鐵塊)、臺(tái)秤(指針式)、體重秤(指針式)。

3 教學(xué)片段

3.1 實(shí)踐體驗(yàn)，感受超重現(xiàn)象

彈簧測(cè)力計(jì)(末端已經(jīng)固定重物)教具：將彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置，如圖1所示。

圖1 彈簧測(cè)力計(jì)與重物

【實(shí)踐體驗(yàn)】請(qǐng)同學(xué)們小組完成實(shí)驗(yàn)

3.1.1 讓彈簧測(cè)力計(jì)和重物處于靜止?fàn)顟B(tài)，記下彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)

3.1.2 讓彈簧測(cè)力計(jì)和重物緩慢勻速上升，記下彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)

3.1.3 讓彈簧測(cè)力計(jì)和重物豎直向上做加速直線運(yùn)動(dòng)觀察彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)，讀數(shù)會(huì)變大還是變小？

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)和重物豎直向上做加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)會(huì)變大(激發(fā)學(xué)生興趣，思考現(xiàn)象產(chǎn)生的原因)

【實(shí)驗(yàn)分析】為什么重物加速上升時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)會(huì)變大？請(qǐng)同學(xué)們運(yùn)用牛頓第二定律來解釋。

【設(shè)計(jì)意圖】通過分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生切身感受向上加速的物體受到的拉力會(huì)大于重力，形成基本物理概念，超重是指物體對(duì)支持物(或懸掛物)的作用力大于物體所受重力的現(xiàn)象。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，大膽地運(yùn)用牛頓第二定律解決問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際生活問題的能力。

【任務(wù)驅(qū)動(dòng)】是不是向上運(yùn)動(dòng)的物體就一定會(huì)處于超重狀態(tài)呢？是否有同學(xué)注意觀察彈簧測(cè)力計(jì)在即將停止時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

3.2 建立模型，分析超重現(xiàn)象的原因

力學(xué)傳感器教具：將力學(xué)傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接如圖2所示，數(shù)據(jù)采集器與電腦連接，將重物固定在力學(xué)傳感器下端，運(yùn)行相關(guān)軟件。

圖2 力學(xué)傳感器

【實(shí)驗(yàn)探究】請(qǐng)一名同學(xué)將力學(xué)傳感器和重物一起由靜止向上加速再靜止，通過軟件描繪圖像如圖3所示，其他同學(xué)觀察實(shí)驗(yàn)圖像，思考其中產(chǎn)生的原因。

圖3 向上加速實(shí)驗(yàn)圖像

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】力學(xué)傳感器和重物一起由靜止向上加速再靜止過程中，力學(xué)傳感器測(cè)量出拉力先要大于重力，而后又要小于重力。

【任務(wù)驅(qū)動(dòng)】為什么向上加速再靜止會(huì)出現(xiàn)拉力先要大于重力，而后又要小于重力。

【建立模型】對(duì)重物受力分析如圖4所示。

圖4 重物受力分析

【分析推理】由牛頓第二定律可得F-mg=ma，當(dāng)F>mg時(shí)，物體處于超重狀態(tài)，加速度a向上。物體向上運(yùn)動(dòng)，初速度為0，加速度a向上，則物體向上加速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)即將停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體處于減速階段，速度v仍向上，但加速度a向下，由牛頓第二定律可得mg-F=ma，則F

【建構(gòu)知識(shí)】物體處于超重狀態(tài)還是失重狀態(tài)的決定因素不是物體的運(yùn)動(dòng)方向，而是物體的加速度方向，當(dāng)物體具有向上的加速度時(shí)處于超重狀態(tài)，物體具有向下的加速度時(shí)處于失重狀態(tài)。

【設(shè)計(jì)意圖】通過實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律解決問題；通過建立模型，從受力分析的角度解決了超重與失重概念的難點(diǎn)。有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力。

任務(wù)二次驅(qū)動(dòng)(學(xué)生獨(dú)立完成)：力學(xué)傳感器和重物一起由靜止向下加速，大膽猜想會(huì)出現(xiàn)什么樣的圖像，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】力學(xué)傳感器和重物一起由靜止向下加速再靜止過程中，力學(xué)傳感器測(cè)量出拉力先小于重力，而后又大于重力如圖5所示。

圖5 向下加速實(shí)驗(yàn)圖像

分析推理(學(xué)生獨(dú)立完成)：物體向下運(yùn)動(dòng)，初速度v0向下，加速度a向下，則物體向下加速運(yùn)動(dòng)；由牛頓第二定律可得mg-F=ma，則Fmg，物體處于超重狀態(tài)。

【設(shè)計(jì)意圖】讓學(xué)生再次體驗(yàn)猜想、驗(yàn)證、分析、推理的過程，運(yùn)用前面所學(xué)的知識(shí)，完成對(duì)未知現(xiàn)象的探究，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力。

任務(wù)三次驅(qū)動(dòng)(學(xué)生獨(dú)立完成)：思考拉動(dòng)重物在豎直方向的運(yùn)動(dòng)情況和我們坐升降電梯是否存在關(guān)聯(lián)？

【設(shè)計(jì)意圖】理論聯(lián)系實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生建模能力。

3.3 聯(lián)系實(shí)際 學(xué)以致用

體重秤(指針式)：將體重秤平放在講臺(tái)上，通過投影儀將指針投影在大屏幕中如圖6所示。

圖6 體重秤儀表盤

【實(shí)驗(yàn)探究】請(qǐng)一名同學(xué)站在體重秤上，做下蹲動(dòng)作，其他同學(xué)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】體重秤讀數(shù)先變小后變大。

【學(xué)以致用】引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)象，明確同學(xué)下蹲過程屬于先向下加速后向下減速運(yùn)動(dòng)，加速度先向下后向上，故先失重后超重。

【拓展思維】為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)于超重與失重的理解，在空心塑料小球下端固定一鐵塊，將電磁鐵置于裝滿水的容器外底部，通電以后，電磁鐵產(chǎn)生強(qiáng)磁，將空心塑料小球吸附在容器底部；通過斷開電源，電磁鐵失去磁性，空心塑料小球在浮力的作用下，加速上浮。

【筆者設(shè)計(jì)題目】如圖7所示，兩個(gè)充滿氣的空心塑料小球在繩子的作用下靜止在水中，整個(gè)裝置放在水平放置的臺(tái)秤上?，F(xiàn)剪斷繩子，讓氣球上浮，請(qǐng)思考，空心塑料小球在上浮的過程中臺(tái)秤的讀數(shù)如何變化？

圖7 水中氣球

【學(xué)生誤區(qū)】學(xué)生普遍認(rèn)為，空心塑料小球原來處于靜止?fàn)顟B(tài)，不超重也不失重；當(dāng)釋放空心塑料小球以后，由于水的浮力大于空心塑料小球的重力，空心塑料小球?qū)?huì)有一個(gè)向上的加速度，處于超重狀態(tài)，故臺(tái)秤的示數(shù)應(yīng)該變大。

【能力升華】理論探究其原因在于：①空心塑料小球加速上升，處于超重狀態(tài)，F(xiàn)-mg=ma(m為空心塑料小球的質(zhì)量，a為空心塑料小球的加速度)；而此時(shí)有等體積的水在加速下降，處于失重狀態(tài)，Mg-F1=Ma(M為水的質(zhì)量，a為水的加速度)；兩者加速度大小相等，水的質(zhì)量大，Ma>ma。②整體重心下降，具有向下的加速度，為失重狀態(tài)，故臺(tái)秤讀數(shù)變小。

【設(shè)計(jì)意圖】通過學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生物理源于生活，而又高于生活的物理科學(xué)態(tài)度。

4 結(jié)語

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》要求高中物理教學(xué)要以立德樹人為根本，進(jìn)一步提高學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標(biāo)，為學(xué)生的終生發(fā)展奠定基礎(chǔ)，最終促進(jìn)人類社會(huì)的發(fā)展。高中教學(xué)中，應(yīng)該在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)觀、相互作用觀、能量觀。筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)探究的方式，陪同學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程、體會(huì)科學(xué)探究的方法、養(yǎng)成科學(xué)探究的思維、培養(yǎng)學(xué)生的分析問題能力、提高解決問題的能力是重要的。

課堂實(shí)驗(yàn)的目的在于創(chuàng)設(shè)情景，尋找學(xué)生的實(shí)際發(fā)展水平，通過教師的引導(dǎo)，讓學(xué)生達(dá)到潛在發(fā)展水平的過程。