超重和失重的創新實驗教學探究

◆王毅

1 前言

生活中的超重和失重現象往往轉瞬即逝，難以觀察。教材中只是讓學生“回憶”乘坐電梯時的感受，在常規教學實踐中也只是通過各種“巧妙”的實驗，讓學生“間接”感知超重失重，學生不能直接觀察到超重和失重現象（即物體對支持物的壓力大于或小于物體所受重力的現象），增加了概念理解的難度。特別是對于學生最感興趣的完全失重現象，往往只能播放一些太空實驗的視頻。

根據新課程標準提出的“體驗探究，倡導創新”的要求，設計創新實驗裝置，將“轉瞬即逝”的物理過程“慢放定格”，做到超重失重特別是完全失重過程的可視化，把太空艙里的完全失重實驗搬到教室里來完成，從而使教學過程更直觀，使理論教學更水到渠成，使課堂教學更高效[1]。本實驗教學在第五屆全國中小學實驗教學說課活動中獲得金獎。

2 實驗設計思路

利用手機慢動作攝影功能，結合與研究對象的同步運動，可以清晰記錄快速變化的物理現象。手機慢動作攝影就是高速攝影功能，以240 fps拍攝畫面，再以30 fps的正常速率播放時，就可以看到細節清晰的慢動作視頻。結合配套裝置，就可以將普通教室變成微重力實驗室。

模擬電梯運動過程，借助定滑輪，通過調整配重的質量，可以使模擬電梯倉處于超重或失重狀態。模擬蹦極運動過程，原理為首先自由落體階段處于完全失重狀態，之后橡皮筋拉伸處于失重狀態，超過平衡位置后處于超重狀態。可以引導學生觀察和分析不同階段出現的現象。

利用本裝置，引導學生利用已有的超重失重知識并展開想象，進行拓展實驗，將不同的研究對象放入裝置中，使其處于不同的運動狀態，分析、預測、討論會發生的實驗現象，并用實驗驗證，讓學生體會到科學研究的樂趣和成就感[2-3]。

3 核心創新點

1）超重、失重特別是完全失重過程的可視化：利用高速攝影和追隨攝影，即手機“慢動作”攝像結合與研究對象的同步運動，做到清晰地、直接地觀察超重、失重、完全失重現象。

2）實驗結果的呈現做到實時化：利用網絡技術和屏幕鏡像技術，即利用無線網絡和屏幕鏡像軟件，將手機屏幕上的內容實時展現到大屏幕上，即將實驗結果立刻呈現在學生面前，無須進行任何額外操作和等待，提高課堂效率。

3）利用同一平臺，完成多種實驗：用同樣的實驗方法，可以探究多種運動，特別是轉瞬即逝的快速變化的運動。通過開展“尋找超重失重”活動，可以激發學生的研究積極性，這樣以點帶面，引導學生整合各類物理知識，設計綜合性實驗。

4）利用普通生活中的常見物品及隨身攜帶的手機，就能完成一系列實驗，且能觀察到以往在太空實驗室中才能看到的實驗結果，從而培養學生的科學精神和實驗設計能力。

4 實驗器材

自制實驗支架、手機、改裝后的整理箱、橡皮筋、定滑輪、繩子、臺秤、電磁鐵、電腦、力傳感器、加速度傳感器、飲料瓶、水、磁鐵、醫用潤滑劑、蠟燭、氣球、彈力圈、擺球等，其中自制實驗支架如圖1所示，改裝后的整理箱如圖2所示。

5 實驗教學目標

圖1

圖2

物理觀念形成運動與相互作用的觀念，并用其描述和解釋超重和失重現象；應用運動與相互作用的觀念，解決有關超重和失重的實際問題。

科學思維運用科學思維方法，從定性和定量兩方面進行科學推理，找出超重和失重現象的產生條件；使用科學證據，運用牛頓運動定律進行科學論證，對超重和失重問題進行描述、解釋和預測。

科學探究培養科學探究意識，發現生活中的超重和失重問題，提出合理猜測與假設；提高設計探究方案的能力，正確實施探究方案，使用科技手段和方法收集信息，基于證據得出結論并做出解釋；培養相互交流與合作的意愿與能力。

科學態度與責任通過對超重和失重現象的觀察及深入分析，培養對科學本質的正確認識；體驗自主探究過程，激發研究物理的好奇心與求知欲；基于證據與邏輯發表自己的見解，形成實事求是的科學態度。

6 實驗教學內容

1）通過探究模擬電梯運動過程，指導學生分析勻加（減）速向上運動過程和勻加（減）速向下運動過程，并總結出超重失重的概念和產生條件。

2）通過探究模擬蹦極運動過程，引領學生應用本節所學知識預測實驗現象，進行實驗驗證，并結合力傳感器和加速度傳感器及數字化實驗軟件進行深入定量分析。

3）安排學生設計實驗環節，啟發學生利用所學知識，靈活使用本節實驗裝置，激發學生的創造力，用同一套實驗平臺設計出多種有趣的出人意料的實驗，將普通教室變成微重力實驗室。

7 實驗教學過程

課堂引入環節提出如何讓有孔的水瓶不漏水的問題，創設情境，再播放課前利用自制教具所做的實驗視頻，激發認知沖突，引發懸念，從而引入新課（如圖3所示）。

圖3

實驗探究環節利用模擬電梯裝置，創設向上加速過程以及向下加速等過程，并直觀觀察到臺秤的示數變化，從而引出超重失重的概念，并引導學生深入實驗、思考、討論，總結出超重失重產生的條件。實驗操作如圖4所示，手機記錄畫面如圖5所示，規律總結如表1所示。

圖4

圖5

表1

理論探究環節結合實驗現象，引導學生應用牛頓運動定律推導出超重失重現象的動力學本質。至此，把本節課的知識框架搭建起來。

實驗拓展環節首先，引導學生應用所學知識探究蹦極運動，分組討論，預測實驗現象，并進行實驗驗證。結合力傳感器和加速度傳感器，利用數字化實驗軟件進行深入定量分析。探究蹦極過程，手機記錄畫面如圖6所示，數字化實驗結果如圖7和圖8所示。

圖6

之后，運用本節課所學知識并使用同一實驗裝置，由學生設計超重、失重特別是完全失重的實驗方案，即“尋找超重失重活動”，分析、預測、討論會發生的實驗現象，并用實驗驗證。通過課上和課下的實驗探究活動，讓學生體會到科學研究的樂趣和成就感。以下是部分實驗成果。

圖7

圖8

實驗：完全失重狀態的磁鐵，如圖9所示。

圖9

實驗：完全失重狀態的液滴，如圖10所示。

圖10

實驗：完全失重狀態的火焰，如圖11所示。

圖11

實驗：完全失重狀態的彩虹圈，如圖12所示。

圖12

實驗：完全失重狀態和超重狀態的水球，如圖13所示。

圖13

實驗：完全失重狀態的擺動現象，如圖14所示。

圖14

實驗說明：完全失重狀態的液滴實驗，需要選擇能長時間保持液滴形狀的液體材料，經反復對比，本課選擇了一種醫用潤滑劑（用約50 ℃的溫水沖調濃縮粉末）進行實驗；完全失重狀態的火焰實驗，需要將實驗箱做好密封（用橡膠密封條）；完全失重狀態的擺動現象實驗，需要在小球擺至最低點附近時釋放實驗箱，才可以觀察到完整的圓周運動。

8 實驗效果評價

本課的創新實驗利用了新方法和新技術。

1）用生活中的普通物品結合已非常普及的智能手機，運用“高速攝影”和“追隨攝影”方法，將“轉瞬即逝”的物理過程“慢放定格”，使超重失重特別是完全失重過程達到“可視化”“定量化”，改變了以往教學中不能直接展現給學生的狀況，使學生更容易接受理解知識。

2）實驗結果的呈現做到實時化，利用網絡技術和屏幕鏡像軟件可以將實驗結果立刻呈現在學生面前，改變了以往攝像機錄制后需要等待進行視頻編輯和格式轉換的時間，做到無須進行任何線路連接，甚至不用將視頻文件復制到電腦上，就能立即觀看，提高了課堂教學效率。

3）用同樣的實驗方法可以探究多種運動，特別是轉瞬即逝的快速變化的運動。通過開展“尋找超重失重”活動，可以激發學生的研究積極性，將很多物理知識（如曲線運動、摩擦力、表面張力等）自然地引入，使學生主動探索，自發生成知識。

4）引導學生利用手機和身邊物體設計有趣的甚至是不可思議的科學實驗，體現了物理從生活中來到生活中去的STSE（科學、技術、社會、環境）思想，把手機從“游戲機”變為“科研儀器”，讓學生通過自己的“科研成果”收獲自信，激發學習和創新熱情。