高中物理教科版高中必修第三章 牛頓運(yùn)動(dòng)定律超重與失重教學(xué)設(shè)計(jì)

1、超重與失重教學(xué)設(shè)計(jì)綿陽(yáng)中學(xué)高一物理組 姚云峰【教學(xué)目標(biāo)】一學(xué)習(xí)目標(biāo)：1通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象；2理解超重和失重現(xiàn)象與物體的運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)，只與物體的加速度方向有關(guān)；3能應(yīng)用牛頓第二定律及牛頓第三定律解釋產(chǎn)生超重和失重的原因；4理解生活中的超重和失重現(xiàn)象，并能利用所學(xué)知識(shí)分析解決相關(guān)問(wèn)題。二學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)：1物理觀念：具有清晰的超重、失重的概念，能正確描述和解釋自然現(xiàn)象，解決實(shí)際問(wèn)題；2科學(xué)思維：能將實(shí)際問(wèn)題中物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)化成超重、失重模型，能對(duì)簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理，獲得結(jié)論；3科學(xué)探究：在利用力傳感器進(jìn)行的DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，能識(shí)別圖線數(shù)據(jù)的物理意義，會(huì)通過(guò)表格對(duì)獲得的數(shù)據(jù)信息

2、進(jìn)行分析整理，歸納總結(jié)出超重與失重的條件；在利用電子秤探究水平和傾斜加速度能否導(dǎo)致超重與失重的分組實(shí)驗(yàn)中，能準(zhǔn)確完成實(shí)驗(yàn)操作步驟，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析推理，獲得更為完整的超重與失重的條件表述。4科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過(guò)觀看天宮一號(hào)里中國(guó)航天員的日常生活工作以及所做的完全失重趣味實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理科學(xué)的內(nèi)在動(dòng)力，同時(shí)增強(qiáng)中華民族自豪感，點(diǎn)燃報(bào)效祖國(guó)的熱情?！窘虒W(xué)重難點(diǎn)】一教學(xué)重點(diǎn)：1超重與失重現(xiàn)象的條件 2應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋超重與失重的原理二教學(xué)難點(diǎn)：1將實(shí)際問(wèn)題中物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)化成超重或失重模型2理解完全失重現(xiàn)象中，物體所受重力不變，但一切因重力產(chǎn)生的物理現(xiàn)象均會(huì)消失【教學(xué)方法】 實(shí)驗(yàn)探究

3、法、比較歸納法、啟發(fā)式講解法、多媒體教學(xué)法【教學(xué)器材】銅鎖、紙帶、書(shū)、醫(yī)用體重秤、力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、數(shù)據(jù)線、電子秤、200g鉤碼、50g砝碼、鉆孔水瓶、便攜磁性日光燈、實(shí)物展臺(tái)、SWR蘇威爾數(shù)字實(shí)驗(yàn)室軟件、希沃授課助手APP、Powerpoint課件【教學(xué)過(guò)程】一趣味實(shí)驗(yàn)引入新課實(shí)驗(yàn)1老師手上有一條紙帶，紙帶下面掛有一把銅鎖，當(dāng)銅鎖靜止時(shí)，同學(xué)們可以看到紙帶完好無(wú)損。若老師突然上提銅鎖，紙帶會(huì)如何呢？演示結(jié)果紙帶斷裂，銅鎖落地。實(shí)驗(yàn)2講臺(tái)桌面上很厚的書(shū)本里夾有一條紙帶，請(qǐng)一位同學(xué)到講臺(tái)上嘗試?yán)黾垘АL試結(jié)果紙帶根本拽不出來(lái)。老師雙手拿起書(shū)本，再次讓這位同學(xué)拽紙帶。老師突然松手，書(shū)本

4、下落的同時(shí)，紙帶也被這位同學(xué)輕易地從書(shū)本里拽出來(lái)。倆次實(shí)驗(yàn)前后差異為何這樣大？學(xué)完今天的物理課，同學(xué)們就能揭開(kāi)其中的奧秘。二視重與實(shí)重提問(wèn)：懸掛物體的彈簧測(cè)力計(jì)或放置物體的臺(tái)秤實(shí)際測(cè)的是什么？學(xué)生回答：彈簧測(cè)力計(jì)實(shí)際測(cè)的是物體對(duì)測(cè)力計(jì)的拉力大小；臺(tái)秤的示數(shù)反映了物體對(duì)臺(tái)秤的壓力大小講解：我們把物體對(duì)懸掛物的拉力或物體對(duì)支持面的壓力稱為物體的視重；把物體實(shí)際受到的重力稱為物體的實(shí)重。三超重與失重1超重與失重的定義問(wèn)題：物體的視重一定等于實(shí)重嗎？實(shí)驗(yàn)探究：請(qǐng)一位同學(xué)站到體重秤上體驗(yàn)用體重秤稱重，其他同學(xué)可以通過(guò)手機(jī)投屏同步觀看稱重過(guò)程。先讓同學(xué)站立不動(dòng)，體重秤指針示數(shù)穩(wěn)定；再讓同學(xué)迅速下蹲，體重秤

5、指針大幅度左右擺動(dòng)，完全蹲下后指針回到之前站立不動(dòng)時(shí)的數(shù)值；最后讓同學(xué)由蹲下迅速起立，體重秤指針再次大幅度左右擺動(dòng)。學(xué)生回答：身體靜止時(shí)，人的視重等于實(shí)重；身體下蹲或起立時(shí)，人的視重不等于實(shí)重。分析：身體靜止時(shí)，為何視重等于實(shí)重。靜止時(shí)F=G；由牛頓第三定律知F=F；所以靜止時(shí)，視重F=實(shí)重G講解：身體下蹲或起立時(shí)，人的視重一會(huì)兒大于實(shí)重，一會(huì)兒小于實(shí)重。我們把其中視重大于實(shí)重的現(xiàn)象稱為超重現(xiàn)象，把視重小于實(shí)重的現(xiàn)象稱為失重現(xiàn)象。2超重與失重的本質(zhì)提問(wèn)：在超重或失重過(guò)程中，重力是否變大或變小了呢？學(xué)生回答：重力沒(méi)有變化，因?yàn)镚=mg，m和g都沒(méi)有變，所以G不變。小結(jié)：所以超重與失重的本質(zhì)是，視

6、重發(fā)生了變化，重力并沒(méi)有變化。3超重與失重的條件及運(yùn)動(dòng)情景（1）利用力傳感器完成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)(DIS)探究：物體發(fā)生超重或失重的條件介紹實(shí)驗(yàn)器材：力傳感器、200g鉤碼、數(shù)據(jù)采集器、電腦、數(shù)據(jù)線、SWR蘇威爾數(shù)字實(shí)驗(yàn)室軟件介紹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軐⒘鞲衅魉艿睦?shù)據(jù)記錄下來(lái)，在軟件中直接以F-t圖像展現(xiàn)出不同時(shí)刻的拉力變化情況。演示步驟：用力傳感器懸掛200g鉤碼由靜止上升一段高度，再由靜止下降一段高度數(shù)據(jù)結(jié)果：數(shù)據(jù)解讀：表格分析：將解讀出來(lái)的信息整理到學(xué)案表格中，分析其中隱藏的規(guī)律運(yùn)動(dòng)過(guò)程現(xiàn)象速度方向加速度方向加速上升減速上升加速下降減速下降用實(shí)物展臺(tái)展示一位同學(xué)的填表情況，并點(diǎn)評(píng)

7、引導(dǎo)提問(wèn)：從表格中能否看出物體發(fā)生超重或失重是與速度有關(guān)還是與加速度有關(guān)？學(xué)生回答：物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否發(fā)生超重與失重，與速度方向無(wú)關(guān)，與加速度方向有關(guān)。加速度豎直向上時(shí)，發(fā)生超重；加速度豎直向下時(shí)，發(fā)生失重。小結(jié)：超重時(shí)，加速度方向豎直向上，速度方向可以豎直向上也可豎直向下，即超重對(duì)應(yīng)了兩種運(yùn)動(dòng)情況加速上升或減速下降；同理，失重時(shí)，加速度方向豎直向下，也對(duì)應(yīng)了兩種運(yùn)動(dòng)情況加速下降或減速上升（2）學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究物體加速度方向水平或傾斜時(shí)，是否會(huì)發(fā)生超重或失重問(wèn)題：既然是否發(fā)生超重或失重由加速度方向決定，那么物體加速度方向水平或傾斜時(shí)，是否也會(huì)發(fā)生超重或失重下面請(qǐng)同學(xué)們自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，得出

8、結(jié)論實(shí)驗(yàn)器材：電子臺(tái)秤、50g鉤碼一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟： = 1 * GB3 在水平桌面上由靜止推動(dòng)電子秤使鉤碼做加速運(yùn)動(dòng)，觀察電子秤示數(shù)是否變化； = 2 * GB3 將電子秤水平放于手掌上，由靜止傾斜上升或由靜止傾斜下降（運(yùn)動(dòng)過(guò)程中注意保持電子秤水平），使鉤碼產(chǎn)生傾斜方向加速度，觀察電子秤示數(shù)是否變化選擇兩組代表回答觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：步驟1中，電子秤示數(shù)沒(méi)有變化；步驟2中，電子秤示數(shù)發(fā)生變化學(xué)生總結(jié)結(jié)論：加速度方向水平不會(huì)導(dǎo)致物體發(fā)生超重或失重，加速度方向傾斜會(huì)導(dǎo)致物體發(fā)生超重或失重提問(wèn)：傾斜方向的加速度為何能導(dǎo)致物體發(fā)生超重或失重？（必要時(shí)提示：加速度是個(gè)矢量）學(xué)生回答：將加速度分解為豎直及水平

9、方向的分加速度，其中豎直方向的加速度會(huì)導(dǎo)致超重或失重，這是傾斜加速度導(dǎo)致物體發(fā)生超重或失重的原因總結(jié)：因此物體發(fā)生超重或失重的條件可以完整表述為超重的條件：加速度豎直向上或加速度有豎直向上的分量；失重的條件：加速度豎直向下或加速度有豎直向下的分量4用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋物體發(fā)生超重或失重的原理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象雖然告訴我們，加速度方向決定了是否發(fā)生超重或失重，但是其中是何原理呢？這就要借助我們之前學(xué)習(xí)的牛頓運(yùn)動(dòng)定律了題目情景 = 1 * GB3 ：已知升降機(jī)的加速度大小為a，物塊質(zhì)量為m，重力加速度g。當(dāng)升降機(jī)減速下降時(shí)，計(jì)算物塊對(duì)懸繩的拉力F的大小。aa同學(xué)們請(qǐng)自行完成計(jì)算。用實(shí)物展臺(tái)展示一位同學(xué)的答案，

10、老師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。小結(jié)：F = m (g +a)，視重F比實(shí)重mg多了ma，說(shuō)明超重了題目情景 = 2 * GB3 ：已知升降機(jī)的加速度大小為a，物塊質(zhì)量為m，重力加速度g。當(dāng)升降機(jī)加速下降時(shí)，計(jì)算物塊對(duì)地板的壓力F的大小。a a請(qǐng)一位同學(xué)回答計(jì)算結(jié)果。小結(jié)：F = m (g - a)，視重F比實(shí)重mg少了ma，說(shuō)明失重了四完全失重1完全失重的定義問(wèn)題：在情景 = 2 * GB3 中，若a=g，計(jì)算結(jié)果又會(huì)如何？學(xué)生回答：F=0此時(shí)說(shuō)明視重F完全消失。理論上推出視重完全消失，實(shí)際真的會(huì)發(fā)生嗎？播放“天宮授課”中臺(tái)秤自由落體完全失重的實(shí)驗(yàn)視頻，引導(dǎo)學(xué)生觀察書(shū)與臺(tái)秤的加速度為g時(shí)指針回到0刻度的實(shí)驗(yàn)結(jié)

11、果。講解：視重=0的現(xiàn)象，我們稱為完全失重2完全失重的條件和本質(zhì)提問(wèn)：根據(jù)剛才的理論推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)視頻，要讓物體發(fā)生完全失重，加速度需要滿足什么條件？學(xué)生回答：加速度豎直向下，且a=g提問(wèn)：物體發(fā)生完全失重，是否不再受重力作用了呢？學(xué)生回答：依然受重力，此時(shí)重力用于使物體產(chǎn)生加速度g小結(jié)：所以完全失重的實(shí)質(zhì)是視重消失，重力不變。3完全失重狀態(tài)下，一切因重力而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象均會(huì)消失視重消失即物體不再對(duì)支持面產(chǎn)生壓力、也不再對(duì)懸掛物產(chǎn)生拉力。在完全失重狀態(tài)下，一切因重力而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象均會(huì)消失。（1）播放視頻：中國(guó)宇航員在天宮一號(hào)里的日常生活、“天宮授課”單擺實(shí)驗(yàn)在完全失重狀態(tài)下，正因?yàn)槲矬w不再對(duì)支持

12、面產(chǎn)生壓力、也不再對(duì)懸掛物產(chǎn)生拉力，所以視頻中的宇航員以及小球看上去就像是“漂浮”著一樣。（2）小實(shí)驗(yàn)：噴水瓶老師手里拿著一個(gè)裝有水的飲料瓶，大家可以看到它的底部正在噴水。講解瓶子的特點(diǎn)：雖然瓶蓋蓋上了，但是瓶子的側(cè)壁上下方各開(kāi)有小孔，一旦盛滿水，上下孔均與大氣接觸，故而氣壓平衡，在重力產(chǎn)生的液壓作用下，瓶中水就會(huì)噴射而出?，F(xiàn)在老師將瓶子釋放，讓瓶子先后分別做自由下落、豎直上拋、斜拋、平拋等運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)仔細(xì)觀察水流的噴射情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：瓶子只要離開(kāi)手，不管是哪種拋法，水瓶均不再噴水了。因過(guò)程太短，可以播放事先錄制好的拋水瓶的慢動(dòng)作視頻進(jìn)行回放。提問(wèn)：水瓶不噴水，說(shuō)明什么消失了？學(xué)生回答：因重力產(chǎn)生

13、的液體壓強(qiáng)。提問(wèn)：因重力產(chǎn)生的液體壓強(qiáng)消失了，浮力呢？學(xué)生回答：也應(yīng)該消失，浮力的產(chǎn)生是由于物體在液體中，其上下表面存在液壓差。（3）播放視頻：“天宮授課”水球?qū)嶒?yàn)。氣泡懸浮在水球之中，并不浮出水面，故浮力確實(shí)消失了。（4）展示泡沫金屬和理想滾珠的圖片講解：完全失重的狀態(tài)下，液體所具備的這些特點(diǎn)非常有用，我們可以利用這些特點(diǎn)制造出“泡沫金屬”、“理想球形的滾珠”。在太空完全失重狀態(tài)下，將金屬熔化，往里面充入大量氣泡，氣泡會(huì)均勻分布在液態(tài)金屬之中，冷卻凝固后，就制造成既輕盈又堅(jiān)固的泡沫金屬。泡沫金屬材料在航空領(lǐng)域大有用處，比如制造機(jī)翼。地面上現(xiàn)有技術(shù)制作的滾珠并非理想球形，因此會(huì)導(dǎo)致軸承磨損，但

14、在太空完全失重的狀態(tài)中，重力不再影響液體的形狀，液態(tài)金屬會(huì)呈現(xiàn)為理想球形，冷卻凝固后就制造出理想滾珠了。4能發(fā)生完全失重的運(yùn)動(dòng)情景提問(wèn)：根據(jù)剛才的理論推導(dǎo)、小實(shí)驗(yàn)、完全失重短視頻，請(qǐng)同學(xué)們總結(jié)能發(fā)生完全失重的運(yùn)動(dòng)情景有哪些？學(xué)生總結(jié)：自由落體及各種拋體運(yùn)動(dòng)；環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星、空間站補(bǔ)充講解：拋體運(yùn)動(dòng)能發(fā)生完全失重的前提條件是不計(jì)空氣阻力，只有物體僅受重力，加速度才為g；當(dāng)衛(wèi)星、空間站繞地球運(yùn)行做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)有一個(gè)加速度，恰好等于軌道處的重力加速度g，方向指向地心，因此衛(wèi)星、空間站會(huì)發(fā)生完全失重，這個(gè)原理我們將在高一下期進(jìn)一步具體研究學(xué)習(xí)。五課前小實(shí)驗(yàn)原理解釋實(shí)驗(yàn)1銅鎖靜止時(shí)，紙帶完好

15、無(wú)損。突然上提銅鎖，紙帶會(huì)斷裂。學(xué)生解釋：?jiǎn)问痔峒垘Ъ铀偕仙~鎖發(fā)生超重現(xiàn)象，對(duì)紙帶的拉力變大致使紙帶斷裂。實(shí)驗(yàn)2書(shū)靜止時(shí)，夾在書(shū)本間的紙帶很難拽出來(lái)。松手釋放書(shū)，紙帶很容易拽出。學(xué)生解釋：松手釋放書(shū)本，書(shū)本會(huì)發(fā)生完全失重現(xiàn)象，書(shū)本與紙帶間的壓力消失，從而紙帶不再受摩擦力，可以被輕易抽出?！菊n堂小結(jié)】通過(guò)回顧下列問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)本節(jié)課的收獲1什么是超重、失重、完全失重？2產(chǎn)生超重、失重現(xiàn)象時(shí)，物體的加速度有何特點(diǎn)？3超重、失重的本質(zhì)是什么？是物體所受的重力發(fā)生了變化嗎？【課后作業(yè)】超重與失重小練習(xí)【板書(shū)設(shè)計(jì)】一視重與實(shí)重1視重：物體對(duì)懸掛物的拉力或物體對(duì)支持面的壓力2實(shí)重：物體實(shí)際受到的重力二超重與失重1超重 = 1 * GB3 定義：視重實(shí)重 = 2 * GB3 條件：加速度豎直向上或加速度有豎直向上的分量 = 3 * GB3 運(yùn)動(dòng)：加速上升、減速下降 = 4 * GB3