司南版必修1第6章超重与失重教案

案例6 超重与失重
一．教学内容分析
1．内容与地位
《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理1”中的第二个二级主题“相互作用与运动规律”中涉及本节的内容有条目4：“……通过实验认识超重和失重现象。

”要求学生能通过一些实验或具体的活动来了解和体验超重和失重。

本节内容是本章知识应用的一个典型的例子。

其典型性表现为，其一，此现象产生原因的分析要用到牛到顿第二定律，这不仅有利于学生巩固对定律的内容理解，而且有助于培养学生分析问题的能力；其二，这是一个贴近日常生活的实际问题，学生熟悉，可亲身感受，而且充满惊奇和妙趣，能激发学生的学习兴趣和探究热情，这对于培养学生主动学习有着极其重要的引导作用。

是一个很好的学习资源。

其三，超重和失重现象与航空航天技术紧密相联系，对于开发空间技术有着极其重要的战略意义。

让学生了解前沿科学，对于培养学生的想象能力和创新思想具有重要作用。

2．教学目标
（1）理解超重和失重现象，并能应用牛顿第二定律解释此现象。

（2）培养学生观察能力、分析推理能力和想象能力。

（3）体验超重和失重，激发学生的求知欲望。

了解超重和失重环境的奇妙性和重要性，培养学生的探究技能。

3．重点难点
认识超重、失重概念，理解超重、失重的原因。

二．案例设计
（一）引入新课
视频展示：翻滚过山车录相片断。

问题：从录相片段中，你们观察了什么
学生：惊险、刺激、恐惧、不安……。

问题：为什么会出现这些心理反应
学生1：因为速度太快，因为处于高空中，因为高速气流对人强烈冲击作用，因为高速带来的视觉上强烈刺激作用……
学生2：可能不单单是高速、高空带来刺激和不安，因为高空中高速飞行飞机中的乘客却没有表现出如此不安与恐惧。

……
老师：其实，过山车游客出现上述强烈心理和生理反应，除了同学们分析的原因之外，还有一个很重要的因素就是与我们这一节所学的两个物理现象
有关，即超重和失重现象。

（设计本环节的目的是希望通过学生熟悉而又感兴趣生活
现象激发学生学习兴趣，同时又点出本节课所要学习的物理内
容，体现了从生活走向物理的教学设计理念。

）
（对于实验条件不许可学校，教师也可改用如图6—的实验
引入新课。

演示时，将装置升到天花板，当摆球摆到最高位置
时，将绳子松开，让整个装置自由下落，请同学们观察现象，
摆仍然保持在偏斜的位置，并不来回摆动。

为什么这就是本节
课要揭示的秘密——失重现象）
为了揭开这个问题的本质，请同学们先看下面的问题。

问题1：站在地面上的同学，他对地面的压力多大当他突然下蹲瞬间，人对地面的压力如何变化
（问题一提出，学生坐不住了，跃跃欲试，想站起来找下蹲的感觉。

学生之间议论纷纷，争论的焦点集中在后一个问题上，同学们各抒已见，思维之间相互冲突，归纳起来有两种看法）
学生1：对地面的压力变小了。

学生2：对地面的压力增大了，因为人下蹲时，人有向下冲击的作用，所以压力增大了。

（学生的认识往往依据自己已有的经验，因此课堂上如何引导，这个问题值得思考。

应按认识规律，让学生在观察思考的过程中，引导他们不断修正自己的观点，形成正确的认识。

）
体验实验：请一个学生站在台式体重计上，突然下蹲，观察示数的变化情况（有条件的学校，可用一摄像头将示数变化情况投到屏幕上）
（选择这一实验理由，一是考虑可操作性，二是因为此过程既有超重问题，又有失重问题，合二为一，现象表现的问题比较突出）
观察结果：示数先变小，后又变大，即人对地面的压力先变小后变大——这就是失重和超重现象
这是为什么呢如何解释这个现象这是我们这一节课要研究的中心内容。

（如果说过山车录相所展示的场景，仅仅给学生对超重与失重现象认识带来“心灵”上感受，那么，这一段的设计却给学生对超重和失重带来“量”上感受。

当然后续教学设计应该给学生以“质”上的认识。

）
下面，我们通过具体实例从理论上探究上述现象产生的原因。

（二）超重与失重现象
问题2：如图6—1所示，一个人在升降机内做一实验，实验时将
一弹簧秤挂在升降机内，弹簧秤下挂一质量为m=5kg的物体。

问题（1）若升降机以大小a=s2加速度向上加速运动时，此人看
到的弹簧秤示数多少此读数比重力大还是小
给学生几分钟的思考、分析时间。

在这段时间内教师最重要的工
作是捕捉课堂上来自学生的有用教学信息，捕捉的信息不应只限制于
学生正确的分析过程和答案，对于学生中出现的各种各样的不同的想
法，同样是有用的课堂教学资源。

教师选择几种有代表性的想法展示出来（板书在黑板或投影在屏幕上）。

学生的可能分析过程有：
学生1：物体受两个力作用，重力和弹簧秤对物体的拉力。

因为物体的加速度
．．．向上，物体所受的合力向上，所以弹簧秤对物体的拉力大于重力，即弹簧秤的示数大于重力（定性分析）
学生2：物体受两个力作用，重力和弹簧秤对物体的拉力。

因为物体的速度
．．向上，物体所受的合力向上，所以弹簧秤对物体的拉力大于重力，即弹簧秤的示数大于重力（定性分析）
学生3：根据牛顿第二定律得 mg－T=ma
所以T=mg－ma=（5×－5×）N=
弹簧秤的示数T′=T=＜mg=（定量分析）
学生4：根据牛顿第二定律得T－mg=ma
所以T=mg＋ma=（5×＋5×）N=
弹簧秤的示数T′=T=＞mg=（定量分析）
对于上述四个具有代表性的分析过程，教师如何点评，对学生最有帮助，收到最好的教学效果，值得思考。

课堂上教师不仿引导学生进行讨论，倾听学生的不同想法，达到更大范围、更深程度曝露学生认知中存在的问题。

在此基础上，教师进行必要点拔、穿针引线，让存在于学生中的问题靠学生自身努力加以解决，这是解决问题的最有效办法。

它不仅解决了这个问题，更重要的是培养了学生分析解决问题的能力。

共识：学生1和学生4的分析是正确的。

有了解决（1）问题基础后，教师再抛出以下（2）、（3）、（4）问题
问题（2）若升降机以大小a=s2加速度向下减速运动时，此人看到的弹簧秤示数多少此读数比重力大还是小
问题（3）若升降机以大小a=s2加速度向下加速运动时，此人看到的弹簧秤示数多少此读数比重力大还是小
问题（4）若升降机以大小a=s2加速度向上减速运动时，此人看到的弹簧秤示数多少此读数比重力大还是小
设计这三个问题的目的，是让学生进一步思考，电梯在不同的运动情况下，弹簧秤示数还有什么变化，从而让学生发现如下规律：
规律1：挂在弹簧下的物体，弹簧秤显示的示数不一定都等于物体的重力大小。

规律2：当电梯加速上升和减速下降的情况下，人观察到的弹簧秤示数（即视重）均大于重力。

规律3：当电梯加速下降和减速上升的情况下，人观察到的弹簧秤示数（即视重）均小于重力。

由此引出超重和失重概念。

并注意强调超重、失重与物体重力变化的区别！
问题3：从上述几个实例中，分析产生超重、失重的本质原因是什么
学生根据上述四个问题结论的比较，不难得出如下规律：
规律3：不论物体向上或向下运动，当物体具有向上加速度时，物体必然出现超重现象；当物体具有向下加速度时，物体必然出现失重现象。

请同学们解释本节引入新课的问题，人下蹲过程为什么对地面的压力先变小后变大。

（目的是为了呼应本节开始时引入的问题，有回归之意，让本节的主题进一步得到突出。

）问题2中的最后一个问题
问题（5）：若升降机以大小a=g加速度加速下降时，此人观察到的弹簧秤示数为多少此问题由学生分析
学生可能分析预测：
定性分析：当物体以加速度a=g加速下降时，物体所受的合力大小等于重力，故弹簧秤对物体的无拉力。

所以弹簧秤的读数为零。

定量分析：根据牛顿第二定律得T－mg=ma
所以T=mg－ma=mg－mg=0
由此引出失重中的一个特殊现象——完全失
重概念，即物体具有向下加速度且大小等于重力加
速度时，弹簧秤拉力等于零的现象。

值得一提的是定性分析和定量分析要灵活应
用，定性分析往往比较直观、形象，在教学中要引起重视。

演示实验：失重现象
（1）实验装置如图6—2所示，杆处于水平平衡，若将铁链一端的细绳烧断，杆还会平衡吗为什么
（2）动手分组实验：如图6—3，取一可乐瓶，在瓶底部打一小孔，在瓶中盛一定量的水，水将从小孔中流出。

若将可乐瓶从空中自由落下，水会从小孔中流
出吗请解释为什么如果可乐瓶是向上抛出呢
（三）超重和失重现象的利与弊
1．超重现象与人的生理反应
（1）问题：飞船发射时加速上升，宇航员处于
超重状态，而且发射时由于加速度很大，
超重很“严重”，体内血液往下肢“坠”，
一方面造成血管承受压力加大，另一方面
造成血液循环困难，脑部会出现缺血和缺
氧现象。

为了减少超重对人的生理影响，
飞船发射时，宇航员成什么姿势较好
（设计本问题的目的是希望学生能够关注超重环境对生命系统带来的影响，
把学科间的知识联系起来，培养学生综合分析问题的能力。

）（2）超重环境模拟仪：为了训练宇航员适应超重环境，宇航员要在超重环境中进行训练。

如图6—4所示就是超重环境模拟仪，当训练舱旋转时，舱处于超重
状态。

（可用照片和视频图象展示，对于其中的原理可不做解释，但是可以给学生一个悬念——这是圆周运动的知识，其目的是为了进一步激发学生探究新知识
的欲望，是后续教学的一个“伏笔”。

）
2．失重现象
视频展示：宇宙员在空间站工作和生活画面，最好含有宇航员喝水画面。

（在失重状态下水成球形，也可用一个模拟实验展示。

取一玻璃瓶，装入半瓶水，后再往瓶中倒入一勺食用油。

最后往瓶中逐渐加入酒精，并摇动瓶子直到油成球形。

原理：当水和酒精混和液的密度等于油的密度时，油滴受到重力与浮力平衡，此时油在表面张力作用下成球形）
想象活动：根据你对失重现象的理解，想象，在地面上的生产、生活或实验现象在在失重情况可能出现什么现象或产生什么影响，这些现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应用（例如：太空饮食问题，太空中排泄问题，太空中睡觉问题。

太空中泡沫金属，太空中的晶体生长，太空中悬浮冶炼等等。

）（本环节设计的目的是希望学生不仅理解失重现象，而且能够把这种现象与生活、生产联系起来。

一方面是为了培养学生探究新问题的能力，另一方面是培养学生解决实践问题的能力，再一方面是为了培养学生的想象能力，进而培养学生的创新思维。

）失重环境是一个特殊环境，它对生物生长或物理现象、化学现象等产生影响。

为了鼓励青少年创新，同时也为了充分应用失重环境或微重力环境的宝贵资源，美国国家航空航天局（NASA）每次发射航天飞机之前，在世界各国中学生中征集飞船搭载实验方案，我国中小学生设计的方案曾被选中，例如，1990年，18岁的俞纬设计的“草履虫生成”实验项目从全国7000多个太空搭载实验项目中脱颖而出，被美国国家航空航天局选中，搭乘“发现号”航天飞机进行了太空实验。

2003年，中国女生李桃桃提出的“蚕在太空吐丝结茧”搭载实验，由美国“哥伦比亚”号航天飞机送入太空，遗
憾的是“哥伦比亚”号返回时坠毁，失去了宝贵观察记录。

我国从87年开始开展太空搭载实验，取得了不少实验成果，从2003年开始，利用返回式卫星开展有偿征集太空搭载实验，云南省金实小学的学生申请的“跳舞草种子”搭载实验方案获得通过，并由我国第18个返回式卫星送上太空。

以上有关方面的具体情况可上网查阅相关资料。

课外实践：（1）到宾馆乘坐电梯，体验宾馆电梯起动或停止时间人的感受。

或到游乐场感受过山车或极速升降机（2）上网查看超重和失重相关资料
三．案例评析
本教学案例设计，在设计思路上突出了生活性、问题性、主体性、时代性和创新性。

本节开始，引入话题是一个人人都能体验的很生活化现象——人的下蹲过程，但是从中引出的问题——人对地面的压力如何变化却不是一个人人都能回答正确的问题，而且这个问题紧紧扣住了本节的中心内容。

这个问题的答案先从实验给出，然后寻求理论上解释。

这种“先果后因”处理手法，其目的是为了让学生的预测结果与实验结果可能形成更多思维上冲突，有助于激发学生进一步探究的欲望。

解决问题过程始终体现学生主体参与的设计理念。

本节内容是应用牛顿定律解决实际问题的课题，课堂中设计许多系列小问题，目的是把学生推到问题之中，并且由学生自行解决，一方面让学生在解决问题过程中暴露新问题，从而捕捉课堂有用信息，共享信息资源，解决了学生中最有针对性的问题；另一方面培养学生解决实际问题的能力，这种从“问题到问题”，从“学生到学生”的设计，体现了课堂教学“以生为本”的设计思想。

教学中设计几个小环节——视频展示、想象活动、相关链接等内容具有很浓的时代气息，不仅抓住了当代中学生学习的心理特点，激发学生学习兴趣，同时有助于培养学生创新思维能力，这是目前中学教学中要特别关注的问题。

四．相关链接
1．《中学物理教师手册》下册，上海教育出版社。

2．美国国家航空航天局网址：本节教学案例设计人:福州高级中学陈鲁文
案例7 探究恒力做功与物体动能变化的关系
一、教学内容分析
1.内容与地位：
在《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理2”的内容标准中涉及本节的内容有条目2：“通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系，理解动能和动能定理。

”该条目要求学生用实验探究的方法，认识物理规律。

它强调学习过程，注重对学生科学探究能力的培养和对科学探究过程本质的领悟。

本节内容是高中物理的必修模块中的重要知识环节。

这部分知识的学习让学生从一个新的角度思考问题，即开始培养学生从功和能相互联系的角度定量的分析解决力学问题。

第一次将运动、力、功以及能量联系在一起，为培养学生综合分析问题打下基础。

本节内容丰富，有很强的物理实验学科特点。

通过其内容的学习，应力求激发学生探究未知，敢于创新的意识和乐趣，培养学生科学探究能力和严谨的科学态度。

该部分内容多，要求也较高，初步学习需2课时完成教学任务。

下面取其中的一个主要片段过程：探究恒力做功与物体动能变化的关系进行分析、教学。

2．教学目标：
1）实验探究恒力做功与物体动能变化的关系，领会科学探究的过程和探究的主要方法，认识动能定理；
2） 在探究过程大胆发表自己对问题的看法，并与他人相互交流讨论；
3） 科学探究过程中具有实事求是、严谨认真的科学态度。

3．教学重点、难点：
本片段的重点是：实验探究恒力做功与动能变化之间的关系——动能定理。

难点是：对动能的改变由哪些因素决定的猜想、假设，探究实验的设计。

二、案例设计：
引入：
1） 一个物体在什么情况下我们说它具有能量
2） 认识动能的意义、动能的表达式以及动能的单位
3） 观看自然界中能引起强烈震撼的体现动能能量的多媒体视频音像小片段（如龙卷
风、雪崩、热带风暴等，这些资料可上网查载，也可由电视节目中录象）
说明：这一视频音像小片段用时约2分钟即可，主要用以激发学生学习热情，并从视频中认识许多自然现象中存在着巨大的动能，且这些动能的大小与质量、速度的大小有关
新课教学：
（一）．教师通过两个演示实验，让学生进一步认识动能和动能的变化。

实验1 ： 一钩码通过拉线经定滑轮拉动放在水平轨道上的小车做加速运动。

如图所示 提示学生注意观察并思考回答下列提问：
（1）小车做什么运动
（2）小车在什么牵引下运动
（3）思考小车在经轨道上不同位置（事先做好标记）位置1与位置2时速度哪个大（v 1与v 2哪个速度大）
（4）这一过程小车动能是否变化，如何变化
实验 2 ： 由斜面高处滑下的小车经铺
有绸布的水平面提示学生注意观察：小车在
水平面上的运动情况。

提问：（1）小车在水平面上做什么运动
（2）小车动能如何变化
提问：以实验1为例：小车从1位置到2位置，这一过程动能的变化如何表述： 预测： E k2 － E k1 或 2122mv 2
1mv 21 （二）、提出问题和对问题的猜想：
教师提出问题：上述两次实验中物体动能都发生了变化。

同学们能否根据刚才对实验的观察，以及日常生活的经验，议一下、猜想一下，小车动能的变化及其动能变化的大小与哪些因素有关呢（让学生思考议论2~3分钟）学生以四人为小组来思考讨论。

先提问：动能变化的大小与哪些因素有关；（板书或幻灯）
说明：这一问题的设计是科学探究的猜想、假设环节。

培养学生有依据、有方向大胆地提出自己的猜想和看法。

预测：学生提出的一些相关因素和依据。

（1）动能变化大小与力F 有关，依据 ①实验1中小车在拉力作用下速度变化——动能变化 ②力是改变物体运动状态的原因 v 变，E K 变。

（2）动能变化大小与位移S 有关，依据实验1中小车在拉力作用下通过位移S 越大，它的动能也越大。

（3）动能变化大小与时间t 有关，依据实验中小车在力作用下经过的时间越长，它的动能也改变得越大。

（4）动能变化大小与速度v 有关，因为速度变化，物体动能也变化
（5）动能变化大小与物体质量有关，因为质量越大，动能也越大。

教学中对学生提出预测中的（4）、（5）两因素可做相应解释：首先肯定（4）、（5）两点的猜想是正确和有益的。

而后说明今天我们是研究引起某物体（如实验中的小车）动能变化以及动能变化大小的原因，而小车的质量并不变化。

物体（小车）速度变化说明物体动能的变化，而我们要找出动能为什么变化哪些因素引起动能的变化。

对学生猜想的归纳：物体动能变化的大小主要与三个因素：力F 、位移S 、时间t 有关。

教师进一步提出：动能变化的大小（2122mv 2
1mv 21-）与F 、S 、t 这些物理量之间存在着什么样的关系；（教师启发引导学生猜想可能的关系）
2122mv 21mv 21- 预测：（1）动能变化的大小与F 、S 的乘积相关，即F ·S
2122mv 2
1mv 21- （2）动能变化的大小与F 、t 的乘积相关，即F ·t 说明：这一猜想过程教师应向学生介绍一般情况下如何猜想各物理量之间的关系。

如从数学角度讲就是从和、差、乘积、正比、反比、二次方、平方根等逐渐从简单到复杂。

不同物理量之间不能加减。

本内容中小车受力越大，通过的位移越长，动能增加的也越大，所以引导学生猜想：动能的变化与F ·S 乘积相关。

F ·t 也是如此。

通过实验探究的形式来探讨F ·S 、F ·t 与动能变化的关系。

幻灯实验目的：
2122mv 2
1mv 21-
1、F ·S 2122mv 21mv 21-
2、F ·t （三）、为分析验证猜想的正确性，进行实验设计：
进一步提出问题：要验证所猜想的各量与动能变化关系，我们需要测定哪些物理量呢（学生思考讨论回答）
预测：力F 、位移S 、时间t 、瞬时速度v 1、v 2小车质量M 。

要测定这些物理量，要验证上面的猜想，我们都必须设计一个实验过程进行探究。

应如何设计呢这一设计应涉及到上述相关的物理量。

教师事先替同学们准备了“研究匀变速直线运动”的实验器材。

根据所提供的实验器材，学生小组讨论回答教师提出的问题：
1、本实验选择什么物体作为研究对象
学生回答：以运动的小车为研究对象。

2、利用什么器材，用什么方法分别测量上述6个物理量（F 、S 、t 、M 、v 1 、v 2）。

说明：这一问题的提出，从整体上来讲，是培养学生在现有的条件下根据实验目的思考制定实验方案。

它是从分散问题各个击破的角度出发，再通过将解决问题的过程联系在一起，从而形成整个实验的方案，达到“水到渠成”的效果。

从各个问题来讲，是请思考：
对学生提出的各种猜想、假设，应在什么时候给予肯定归纳对一些不是本节主要教学内容的猜想或不适宜的猜想应在什么时候加以说明剔除。

让学生考虑所需要的数据怎么获得，也就是用什么方法收集相应的数据，并且在收集数据的过程中考虑数据的可靠性。

（1）恒力F 的测定：
预测：①用天平测钩码的质量m ，钩码的重力就是小车所受的恒力即F= mg 。

②用测力器测出钩码的重力mg F=mg
再进一步提出：（a ）需探究中的F 是指小车受的某个力还是指小车所受的合力
学生回答：F 应该是指小车所受合力
（b ）小车在水平方向除了受拉力还受什么力
学生回答：摩擦力。

（c ）为了使小车所受合力等于细线拉力F ，就必须先平衡摩擦力f ，怎
样平衡摩擦力f
学生回答：将轨道的一端用木板（或书本）垫起形成小斜面，若小车能沿斜面匀速下滑，则可认为摩擦力已被平衡。

教师补充强调：a 、平衡摩擦力时不能挂钩码；
b 、平衡摩擦力时要让小车夹上纸带，并穿过打点记时器的限位孔。

让学生训练一下平衡摩擦力f 的实验过程。

（2）位移S 的测定：
预测：用刻度尺，测定打出的纸带上选定的A 、B 、两点之间的间距（提示：A 、B 两点距离要相对大些）
（3）时间t 的测定：
预测：由打点计时打出的纸带上每两点间的时间间隔是秒，若A 、B 间的点数为n ，则t AB = ×n
（4）小车质量M 的（提示区分小车质量与钩码质量的不同）
预测：可用天平测定M 。

（5）瞬时速度v 1 、v 2的测定：
预测：从纸带上选定1、2两点，再利用时间中点速度等于平均速度的方法，即t
s v =
求之。

说明：上述几个的问题，特别是（1）、（5）这两个问题，虽然都是学生已学过的知识，但受时间相隔较久以及当初掌握程度的影响，使学生难以准确迅速的回答。

所以教师每提出问题，应留有时间让学生思考，并根据生源情况，作必要的提示、启发，但不要扩展问题，以免冲击主要问题，影响时间和效果。

根据上述讨论已基本明确如何通过研究小车作匀变速运动的过程，测定出我们所需要探究的相关物理量。

请同学们设计实验数据记录表格，并在表格中增加几项实验数据处理栏目（2122mv 2
1mv 21- ）、F ·S 、F ·t 。

（四）、学生分组动手做实验。

（2人或4人一组，强调分工合作）
在学生做实验的过程中，教师关注学生操作是否规范。

提供参考表格：（每个小组只要求做一次，下表可供教师黑板上归纳分析使用）。