打造美妙課堂——“應用牛頓運動定律解決問題”教學設計與體會

沈 磊

（蘇州市第一中學校，江蘇 蘇州 215005）

1 教學過程

1.1 提出問題，導入新課

問題1：如圖1，哪位物理學家是繼愛因斯坦之后最偉大的物理學家，并且是《時間簡史》的作者.

PPT展示：斯蒂芬·霍金.

圖1

圖2

問題2：圖2中展示的是2007年4月26日，英國科學家霍金在大西洋上空的一架飛機中體驗的一種現象.事后他表示這感覺很令人驚奇.請問他體驗的是一種什么物理現象？

PPT展示：霍金體驗的這種現象叫失重（學生下課后可以上網查一查上述兩方面的資料，開闊眼界）.

如圖3，中國宇航員翟志剛出艙活動（教師著重強調翟志剛的漂浮也是一種失重）

圖3

圖4

問題3：根據給出的圖4提問：

（1）在這幅圖片中你能觀察到失重現象嗎？（漂浮的本子）

（2）這幅圖是神舟七號剛進入預定軌道時拍攝的.圖中宇航員還保持著發射時的坐姿，你知道為什么在發射時宇航員要保持這樣的坐姿嗎？

（學生可能答不出來，教師可以告訴學生，是為了克服發射時超重現象對宇航員的身體造成的傷害.）

演示實驗：兩塊馬蹄形磁鐵放在木板上留有一定距離，N、S正對面，當變速上升或變速下落時磁鐵會吸在一起.

小結1：物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）小于物體受到的重力的現象稱為失重現象.加速度方向向下.加速度向下時物體的運動狀態分為兩種情況，即減速向上或加速向下運動.

師：到此我們知道了一個概念：失重.

其實早在人們上天之前就對于失重現象進行了透徹的研究.

設問：人站在電梯中，人的質量為m.如果當電梯以加速度a加速上升時，人對地板的壓力為多大？

解析：取向上為正方向，根據牛頓第二定律寫出支持力F、重力G、質量m、加速度a的方程F-G＝ma，由此可得F＝G＋ma＝m（g＋a）.

人對地板的壓力F′與地板對人的支持力大小相等，即F′＝m（g＋a）.由于m（g＋a）＞mg，所以當電梯加速上升時，人對地板的壓力比人的重力大.

小結2：物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）大于物體受到的重力的現象稱為超重現象.加速度方向向上.加速度向上時物體的運動狀態分為兩種情況，即加速向上運動或減速向下.

設問：人以加速度a減速上升，這時人對地板的壓力又是多大？

解析：此時人對地板的壓力也是小于重力的，壓力大小為F＝m（g-a）.

播放超重、失重錄像，研究具體原因.

1.2 經歷過程，學會方法

學生實驗1：同組的兩位學生中，一位學生手拿彈簧測力計，下端掛一鉤碼，使之處于靜止狀態，另一位學生讀出彈簧測力計的示數.注意觀察接下來的實驗現象，并將結果填入表格.

（1）突然向下放然后停下的過程中，彈簧測力計的示數是否變化？怎樣變化？

（2）突然向上拉然后停下的過程中，彈簧測力計的示數是否變化？怎樣變化？

（3）當下放和上拉的過程中鉤碼受到的重力有沒有發生變化？彈簧測力計的示數有沒有發生變化？

學生實驗結果如表1所示.

表1

由學生實驗結果引導學生判定超重或失重時彈力必定改變.

學生實驗2：取一裝滿水的塑料瓶，在靠近底部的側面打一小孔，組內一位學生讓其做豎直上拋或斜拋運動，其余學生觀察瓶子在空中運動過程中有沒有水流出的現象.（水中添加紅墨水，以便于觀察）

設問：發生超重和失重現象時，物體實際受的重力是否發生了變化？

解析：重力不變.

1.3 分析論證，理解概念

小結3：由學生實驗2分析，我們可以得出以下結論：“物體的加速度等于重力加速度g叫做完全失重.”

設問：由小結3可知，物體處在超重和失重過程中的重力不變，那么學生實驗1中彈簧測力計的示數既然不是物體實際受到的重力大小，那么我們可以把這些看到的示數叫什么呢？

解析：我們把物體對支持物的壓力或對懸掛物的拉力叫做物體的視重，當物體運動狀態發生變化時，視重就不再等于物體的重力，而是比重力大或小.

1.4 練習總結，深化學習

（1）要求學生獨立完成當堂補充練習1～5.

（2）小結：本節課你學會了什么？

2 教學體會

“應用牛頓運動定律解決問題”的教學設計是筆者參加蘇州市區“打造美妙課堂”的一節公開展示課，期間得到了校內多位同事的悉心指導和幫助，感觸頗多，收獲極大.

2.1 創設真實情景，獲取真實體驗

“應用牛頓運動定律解決問題”是知識的應用課，對學生來說是一節全新的概念課.超重、失重這兩個概念的實質就是本節課的重點，而應用牛頓定律求解超重和失重問題就是本節課的難點.

在進行概念教學過程中，通過磁鐵的演示實驗，讓學生觀察實驗現象，引起了學生的好奇心，利用已學的物理知識，引導學生進行理論分析，引入超重概念.

2.2 利用已有簡易器材，培養學生設計實驗和觀察實驗現象的能力

在得出超重、失重現象和加速度的關系后，還需要探究在這兩種現象中物體的重力究竟有沒有變，以及在這兩種現象的背后究竟是什么改變了.

事先給學生準備好彈簧秤和鉤碼，引導學生兩人一組，自己動手設計實驗，并觀察現象做好實驗記錄.根據一系列的實驗現象，讓學生自己對實驗現象做歸納總結.

2.3 對演示實驗和學生實驗改進的思考

這節課一共設計了3個實驗，用馬蹄形磁鐵演示失重現象；讓學生利用彈簧秤和鉤碼自己動手設計實驗，觀察彈簧秤的示數隨外界運動的改變情況；利用裝滿水的下端開口的瓶子的斜拋演示實驗.這3個實驗在一定程度上都有可探討性.

第1個用馬蹄形磁鐵演示失重現象的實驗，在課堂教學過程中，安排在放完視頻之后，用于引入概念，引起了學生的注意力，確實收到了很好的教學效果.在分析具體原因時，只能按部就班地一步步引導為主，說明學生對利用已有知識分析新問題的能力還有所欠缺.

第2個實驗是讓學生自己去設計，體驗.遺憾的是這一實驗現象演示時間太短，學生只能觀察個大概，還不能真正觀察到具體的一系列運動過程中彈簧的示數.如果將這個實驗改用體重計，讓學生在體重計上做下蹲或站起，將攝像頭直接對準了體重計的刻度盤，在大屏幕中直接投影，這樣可能給學生的指針數字變化印象更清晰.

第3個實驗是請學生到講臺上進行演示的.為了防止瓶子在落地的一瞬間水會大量漫出，筆者特意讓班上一個投籃最好的男生進行演示，并指揮他將瓶子做斜上拋拋在4m外的一個水桶內，而讓其余學生觀察瓶子在空中運動的過程中是否有水漏出.為了增加演示效果，本人特意在水中加了紅墨水，以增強視覺效果.但在實際的課堂里還是有所欠缺，因為是當著全班學生的面要求那位投手將瓶投入水桶中，很多學生的注意力都集中到了那個瓶子會不會扔進水桶中，而中間過程是否有水從瓶子底部流出關注不夠.雖然在拋出軌跡的地面上可以證明在拋出的過程中沒有水流出，但這種演示方法卻缺少了可視度.

考慮到提高實驗的可視性，可以對第3個實驗進行一些改進.即不用斜拋，而直接改用自由落體，在瓶子的正下方相應鋪上大的白紙，將瓶子下部四周開8個小孔，先用膠帶封住，將裝滿紅墨水的瓶子提升至某一高度，打開瓶蓋，撕掉遮蓋小孔的膠帶，就會看到有8股水流流到白紙上，然后釋放瓶子，直到瓶子落地停下，觀察白紙上在瓶子掉落的地方有紅墨水水印，而紙上除了剛剛遠處的水漬之外，中間沒有任何的紅墨水水印，充分說明了在瓶子下落過程中沒有水流出的現象.這樣做有幾個好處：（1）占地小，可直接在學生中間進行演示，盡可能更多地讓學生觀察實驗；（2）演示對比效果明顯，紅色墨水會在白紙上留下演示，視覺效果明顯；（3）大大提高了實驗的成功率.

超重、失重是必修1第4章“牛頓運動定律”中第7節的2個重要概念，實踐證明，通過幾個簡單實驗，可以更好地讓學生理解超重和失重的本質，而學生自己動手創設實驗可以培養學習物理的興趣和動手能力，從而啟發學生運用物理思維，積極主動地利用已有知識去建構新知識.

1 張平.“彈力”的教學設計與教學體會［J］.中學物理教學參考，2012（12）：31.

2 李如虎.經歷探究過程 形成科學思想——探究感應電流的產生條件的創新課堂設計［J］.物理教師，2013（11）：15.

3 鮑時榮.運用情感共鳴 打造生命化物理課堂［J］.物理教師，2013（6）：20-22.