超重和失重课堂实录 粤教必修

【教学设计】

（一）设计学生分组实验

由于课本课文中，只有超重、失重、完全失重三个结论，既没有教师的演示实验，更没有学生的分组实验，而很多学生对超重、失重、特别是完全失重缺乏感性认识，学生从形象思维到抽象思维的坡度太陡，不利于学生顺利地去认识现象，建立概念，以及应用知识解决具体问题。鉴于此，我设计了三个学生分组实验和一个教师演示实验。

（二）学生分组实验的准备

为了让学生观察到明显的超重和失重现象，通过多次筛选，确定了弹簧秤下悬挂钩码的最佳方案。为了解决超重、失重现象越明显，钩码越容易脱离弹簧秤悬钩的问题，我把钩码用线拴在了弹簧秤的悬钩上。为了让学生认识完全失重现象，我设计了用一根短线两端分系螺帽的装置来进行模拟演示，即用一颗螺帽来表示重物，另一颗螺帽表示弹簧秤，通过观察分析短线是否有形变，来认识完全失重条件下，用弹簧秤是测不出物体所受重力的，这就解决了直接用弹簧秤演示，指针反弹快不易观察且容易损坏弹簧秤的问题。最后设计了一个教师的演示实验：水袋下落漏水停流，并通过引导学生分析短线两端分系螺帽的下落与水袋下落漏水停流这两个实验间的内在联系，加深了对完全失重现象的理解。

（三）进行分组实验的意义

1．通过学生亲自动手实验，把学习的主动权交给了学生。通过引导学生观察实验现象，分析实验原因，总结出物理概念并将所学知识用以解决实际问题，让学生懂得：依靠自己的努力是可以探索并掌握新的知识的，从而树立持久的学习信心。更重要的：在实验、观察、总结的过程中，使学生潜移默化的感受到“实践一认识一再实践一再认识”的认知规律。从近期来看，可以培养学生良好的学习方法，从长远发展来看，可以培养学生终身受益的学习能力。

2．通过进行学生的分组实验，可以培养学生的动手能力、观察能力、分析能力和学生之间的协作能力，使学生各项素质的提高落到实处。

3．通过进行学生的分组实验，抛弃了哪种由教师分析总结并得出结论的传统的教学模式，科学的合理的探索随堂实验课这种教学模式所遵循的一般规律。

【教案】

（－）教学目的

l．理解超重和失重的概念，知道产生超重和失重的条件。

2．培养学生的观察能力、实验能力和分析能力。

3．让学生了解物理知识在生产、生活和科学技术中的应用。

4．探索物理随堂实验课的教学模式。

（二）教学重点

超重和失重概念，产生超重和失重的条件以及知识的应用。

（三）教学难点

1．对完全失重概念的理解。

2．在超重和失重的条件下，物体的实重不变。

（四）教学器材

弹簧秤和钩码各33个，细线两端分系螺帽的装置33具，透明塑料水袋一个，锥子一把，尺子一把。高级中学物理试验课本66本。

（五）教学方法

实验探索、启发式教学。

（六）教学过程

1．引入课题

师：同学们，牛顿第二定律F=ma说明了哪三个方面的问题？

生：①力是产生加速度的原因？②质量一定的物体，F恒定则a不变，F变则a变，F消失则a随之消失。③F=ma是矢量式，应用时须先规定正方向。

师：请同学们思考这样两个问题：①我国预计在2000年左右将发射载人宇宙飞船，那么，人们常常谈及的超重和失重究竟是怎么一回事？②为什么心脏病人不宜乘坐飞机去旅行？为了弄清这两个问题，我先请同学们来做一个实验，实验的要求是：先记住钩码静止时，弹簧秤的读数和弹簧秤指针的位置，此时弹簧秤的读数就等于钩码的重力大小。再让弹簧秤和钩码一同竖直向上做加速直线运动，请注意刚开始运动的瞬间，指针是向上移动还是向下移动？

2．新课教学

学生分组实验1:观察超重现象

板书课题：四、超重和失重。

生：指针下移，说明读数变大。

师：这种弹簧秤的读数大于约码实际重力的现象我们就叫它为超重现象。

板书：1．超重（1）现象

师：为什么钩码加速上升时，弹簧秤的读数会变大呢？若设钩码质量为m，竖直向上运动的加速度为a，那位同学能用牛顿第二定律来对钩码进行研究，分析弹簧秤的读数与哪些因素有关？

板书：（2）分析图1

引导生答：弹簧和钩码受力分析如图1，由牛顿第三定律有：弹簧秤的读数产和钩码所受弹力F是等大反向的。板书：F=-F′

F-mg=ma F=mg＋ma （l）

引导学生得出：当物体具有向上的加速度时，物体对悬挂物的拉力大于物体本身的重力。

师：人们常把弹簧秤称出的读数F′称为视重，mg称为物体的实重，则视重和实重谁大？

生：视重大。

师：若把弹簧秤变为升降机中的磅秤，板书图2，已知升降机与人和磅秤具有向上的相同的加速度a，人的质量为m，哪位同学能参照上面的分析直接得出磅秤的读数？

生A：板书：N′=-N，N=mg＋ma说明人对秤的压力大于人的实际重力，视重N′大于实重mg。

师：哪位同学能综合上面两例的分析结论，得出什么叫超重现象？

生B：当物体具有向上的加速度的时候，物体对悬挂物的拉力或对支持物的压力大于物体本身重力的情况称为超重现象。

板书：（3）结论：视重＞实重

师：在超重情况下，物体本身的重力变没有？

生：物体本身的重力大小不变。

板书：（4）实重不变

师：同学们当物体具有竖直向下的加速度a时，秤的读数又如何变化呢？请同学们再来做实验，实验的要求是：先记住钩码静止时，弹簧秤的读数和指针的位置，然后观察当钩码和弹簧秤一同加速下降的瞬间，弹簧秤的指针是上移还是下移？

学生分组实验2：观察失重现象

生：指针上移，说明读数变小。

师：这种弹簧秤的读数小于物体实际重力的现象我们就称它为什么现象？

众生：失重现象。

板书：2失重（l）现象

师：设钩码的质量为m，向下的加速度为a，哪位同学能参照上面的分析，求出弹簧秤的读数？

板书：（2）分析

引导生答：板书：图3，F=-F′

mg-F=ma F=mg-ma （2）

引导生答：当钩码具有向下的加速度a时，钩码对悬挂它的弹簧秤的拉力F′小于物体本身的重力mg。

师：同样地，若把弹簧秤变为升降机中的磅秤，已知升降机与人和秤向下的加速度均为a，人的质量为m，哪位同学能参照前面的分析得出秤的读数。

生C：板书：图4，N′=-N，N=mg一ma说明人对秤的压力小于人的实际重力。

师：哪位同学能总结出什么叫失重现象？

生D：当物体具有向下的加速度的时候，物体对悬挂物的拉力或对支持物的压力小于物体本身重力的情况称为失重现象。

板书：（3）结论：视重＜实重

师：在失重条件下，物体本身的重力变没有？

生：物体的重力不变。

板书：（4）实重不变。

师：由（2）式可知，物体具有的向下的加速度的值越大，则秤的读数就越小，同学们想一想，有没有称不出物体重力的情况呢？请同学们来做一个实验，这是短线两端分别系住两颗小螺帽的装置，请在绳未被拉直的情况下，无初速的同时释放此装置，注意观察两螺帽在自由下落过程中，短线被拉直没有？

学生实验3，观察完全失重现象。

众生：线没有被拉直。

师：同学们想一想，若先用手握住一颗螺帽，让另一颗悬吊的螺帽静止，然后无初速释放，短线中有没有弹力？

众生：没有。

师：假若一颗螺帽是弹簧秤，那么能否称出另一颗螺帽的重力？为什么？

生E：不能。因为弹簧秤和重物的加速度都是g，它们间不可能有形变，也就没有相互作用力了。

师：这种根本称不出物体重力的现象就叫什么现象？

众生：完全失重现象。

板书：3．完全失重，（1）现象：

师：有的同学要问：为什么不用弹簧秤来做完全失重的实验而改用两螺帽来模拟呢？原因有2：①在完全失重的情况下，弹簧秤指针恢复太快，且下落过程中，弹簧秤易转动，这都不利于观察指针的移动情况。（2）保护弹簧秤不受损坏，这为什么我们以后将专门研究。

师：哪位同学能分析：弹簧秤的读数为什么会为零？

板书：（2）分析

生F：完全失重的情况下，物体的加速度为g，参照对失重现象的分析和（2）式可得，弹簧秤的读数为零。

师：哪位同学能总结出什么是完全失重现象？

生G：当物体具有的向下的加速度就是重力加速度时，物体对悬挂物的拉力或对支持物的压力等于零的现象称为完全失重现象。

板书：（3）结论：视重为零。

师：在完全失重的情况下，物体本身的重力有没有变化？

生：物体本身的重力不变。

板书：（4）实重不变。

师：同学们在完全失重的情形下，会有许多奇妙的事情发生，请先来观察一个水断流的实验。我手提着的是一个盛了水的透明水袋，我现在用锥子在水袋上打一个小孔，袋中就喷出了一股细水流，我现在用尺子去切断水流，能否真的断流？不能！这是不是古人所说的：抽刀断水水更流的情形。（众生笑）现在我让水袋自由下落，请同学注意观察：水袋在下落过程中，水流是否中断？

教师演示实验：水袋的自由下落。

生：水断流了。

师：为什么水会断流呢？

引导生H答：若把水袋视为前面实验中的一颗螺帽，水视为另一颗螺帽，水和水袋间就没有相互作用力了，即水和水袋的重力完全用以提供各自的重力加速度了，所以水不流了。

师：非常正确，同学们，事实上环绕地球飞行的宇宙飞船里用秤是称不出任何物体的重力的。哪说明宇宙飞船里的物体处于什么状态？飞船内的空间是一个什么样的空间？

生：飞船内的物体都处于完全失重状态，飞船内的空间是一完全失重的空间。

师：在完全失重的空间里，科学家可以进行大量的生物、生理、生化、物理、医学等实验，并能取得地面上进行同样实验无法达到的优秀效果。据报道，美国一产妇在完全失重的飞船里曾产下一男孩，现约8岁，该男孩所表现出的智力和体力远远超过了同龄儿童，被美国人戏称为“小超人”。同学们，完全失重的空间里还有许多未被开垦的处女地，各国宇航局都力图率先在这些领域取得突破性进展，为此，发达国家的宇航局也曾向世人征求可在飞船里进行实验的方案。北京市一名中学生曾设计出一个方案：即研究在完全失重的条件下，人的思维反应速度是不变、变快还是变慢。受到了发达国家宇航局的关注。如果在座的各位同学在这方面有什么奇思妙想，不妨寄与我国宇航部门，希望将来在我国飞船上进行的实验里，有你们设计的方案。

现在我们已经解决了究竟什么是超重、什么是失重的问题了。那么，为什么心脏病人不宜乘飞机去旅行呢？为了简化问题，我假设旅客是乘直升飞机去旅行，当直升飞机加速上升时，哪位同学能分析这种情况下，人的心脏处于什么状态？请注意这颗红色的桃形表示人的心脏。

板书：图5

引导生答：这颗心脏处于超重状态。这颗心脏向上的加速度a是由周围肌肉向上的弹力F和心脏本身的重力mg的合力来提供的。参照（l）式可知，a越大，F越大，肌肉的形变越大，如果超过了肌肉的形变范围，则此心脏就出问题了。

师：上面仅对心脏的状态作了个受力情况分析，事实上，粗略地讲，当心脏具有向上的加速度时，流经心脏的血液同样处于超重状态，要把这些血泵出心脏维持正常的血液循环，心脏的负担就比无加速度时大得多，若旅客本身的心脏平时就不好，再加上超重情况下要急剧增加心脏的负担，这颗心脏就容易出问题了。有的同学要说：若旅客熬过了上升关，下降就不会出问题了。现在我就设直升飞机减速竖直下降最后停在地面上，哪位同学能判断此心脏处于什么状态？

生H：失重

生1：超重

师：飞机减速下降，速度在减小，加速度向什么方向？心脏处于什么状态？

众生：加速度方向向上，心脏处于超重状态，同样容易出问题。

师：哪位同学能举出生活中可以感受到的超重或失重的情形。

生：略

引导生小结：略。

3．布置作业