(物理必修1)“超重和失重”教学案例与评析

2019-08-20 15:10

摘自:《番禺教育网》

一、教学设计

【 课题 】超重和失重

【 课标要求】

内容标准: 通过实验认识超重和失重现象。 活动建议 : 1. 通过各种活动,例如乘坐电梯、到游乐场乘坐过山车等,了解和体验失重与超重。 2. 通过听讲座、看录像等活动,了解宇航员的生活,了解在人造卫星上进行微重力条件下的实验,尝试设计一种在人造卫星或宇宙飞船上进行微重力条件下的实验方案。

【 教学目标 】

1.知识与技能:(1)知道什么是超重现象、失重现象和完全失重现象。(2)理解产生超重现象和失重现象的原因。(3)能够对力传感器和数据采集器采集到的超重与失重的F-t图象进行分析。(4)培养学生运用物理规律抽象生活实际问题的建模能力。(5)培养学生自主学习的能力和进行总结归纳的能力。

2.过程与方法:(1)经历观看录像、分组实验、讨论交流的过程,观察并体验超重和失重现象。(2)经历探究产生超重和失重现象原因的过程,学习科学探究的方法,进一步学会运用牛顿运动定律解决实际问题的方法。

3.情感、态度与价值观:(1)通过探究性学习活动,体会到牛顿运动定律在认识和解释自然现象中的重要作用,产生探究的成就感。(2)通过运用超重和失重知识解释身边物理现象,激发学习的兴趣,认识到掌握物理规律是有价值的。(3)通过观看有关杨利伟的升空录像片断,激发学生爱国、爱科学的热情。

【 教学重点与难点】

重点:把超重和失重现象与牛顿运动定律联系起来,探究现象本身和加速度的内在联系为本节课的教学重点。

难点:设计问题梯度,筛选教学资源,设计典型实验,引导学生探究,控制讨论交流时间,合理安排应用例题的难度等,是本节课教学的难点。

【 教学策略 】教学方法:探究、讨论和讲练相结合。课时安排: 1课时。

【 教学用具 】学生分组:学生自制弹簧秤、钩码、词典、海绵等。电梯中的超重和失重录像片,有关杨利伟升空的录像片,矿泉水瓶,铁架台,力传感器课件(教材配套课件)。

【 教学过程 】

1.概念理解

情景引入:课前播放有关航天飞机发射、太空站的录像片,开场白:同学们也看过神舟五号升空的实况,都听说过超重和失重这两个名词。这节课我们一起来学习、探究“什么是超重和失重现象?引起超重和失重的原因是什么?”引出这节课的主题:超重和失重。

概念提出:引导同学观看在电梯中的录像。物体放在静止的台秤上,观察台秤的读数,该读数为物体对台秤的压力值,称为视重,此时的视重等于物体的重量;电梯起动的过程,观察到视重值大于正常测量值,电梯停止的过程中,观察到视重值小于正常测量值;如果是在电梯中用弹簧秤挂一个重物,电梯开始起动的过程,同样观察到视重值大于正常测量值,电梯停止的过程中,也观察到视重值小于正常测量值。就此提出概念“这种物体对支持物的压力(或悬挂物的拉力)大于物体重力的情况,称为超重现象。物体对支持物的压力(或悬挂物的拉力)小于物体重力的情况,称为失重现象。”

2.实验观察

( 1)让学生手托自己的词典,上下运动体验词典对手的压力,先缓慢上下运动体验压力再突然上下运动体验压力(2)让学生用自制的弹簧秤挂钩码,手提弹簧秤上下运动,观察弹簧秤的读数或感受手指受到的拉力。交流“有没有观察到超重和失重现象?什么时候观察到了超重现象、失重现象?”。引导学生就观察到的现象提出有关超重和失重的问题,老师在众多问题中,抓住主要问题“产生超重和失重的原因是什么?”老师肯定学生提出的问题,为了引导探究再把问题具体化“能否根据我们掌握的运动规律来探究产生超重和失重的原因?”。

3.理论探究

组织学生自主探究“产生超重和失重的原因”。辅导学生用牛顿第二定律的分析方法来分析问题,指导学生把探究结果写在稿纸上。投影学生的探究结果,请学生上台进行讲解,针对学生的讲解,规范学生应用牛顿运动定律分析、解决问题的思路:假设运动(向上或向下、加速或减速),选取研究对象进行受力分析,根据牛顿第二定律列方程得出支持力的表达式,再根据牛顿第三定律对压力的变化进行判断。探究结果:“产生超重和失重的原因是在竖直方向上存在加速度”。

思考:“水平方向的加速或减速运动会产生超重和失重吗?”,组织学生一起讨论:“向上的运动就一定产生超重,向下的运动就一定产生失重吗?”组织学生交流,同时屏幕打出以下四幅与运动对应的受力图,并指导学生一起分析。

投影归纳出来的规律:

得出结论:物体处于超重还是失重状态,仅由加速度方向决定,与运动方向无关。

4.结果外推

演示实验:液体也会产生超重和失重现象吗?演示下方钻了孔的矿泉水瓶自由下落,通过实物投影观察漏水情况。“没有水漏出的原因是什么?”自由下落过程中上面的水对孔口的水没有产生压力的作用,产生了失重现象。强调:固体、液体、气体等一切物体只要满足条件,都会产生超重和失重现象。引出概念:如果一个物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)为零,称为 完全失重现象 。下落过程考虑到空气的阻力,只是接近完全失重的状态,这种接近完全失重的状态称为 微重力状态。

学生体验:弹簧秤挂钩码自由下落,观察弹簧秤的示数。同时屏幕打出:产生完全失重的条件是什么?水瓶向上抛出,孔口的水会流出来吗?的思考问题。瓶子抛出,上升和下落的过程水都处于完全失重状态。

知识应用:在完全失重情况下,弹簧秤还能测量物体的重力吗?天平还能测出质量吗?浸在水中的物体还受到浮力的作用吗?水银气压计还能测出气压吗?

5.方法求新

引言:我们用弹簧秤来观察超重和失重现象,示数变化不定,且瞬间即逝,难于观察,有把瞬时的受力情况都记录下来的测力仪器吗?“力传感器”就是这种仪器,它能够帮助你解决观察瞬间受力这个难题。

根据课件讲解 : 用数字采集器观测电梯中的超重和失重现象的方法。力传感器把受力大小转换成电信号,数据采集器把电信号转换成数字信号,计算机对数据进行处理,画出力随时间的变化曲线,力随时间的变化就永久记录下来了。根据 F-t图象看出物体各时间段的运动情况。应用:根据图象,求出电梯加速上升的最大加速度。(取g=10m/s 2 )

解:受力分析如图:

根据牛顿第三定律 F=-F′得:最大拉力T m =3.5 N ,

根据牛顿第二定律 F 合 =ma得:最大加速度为a m =(T m -G)/m=1.4(m/s 2 )

6.总结提高

课堂小结,让学生以“本节课我学到了什么?”为话题进行评价性总结,同时在屏幕上打出“ (1)产生超重和失重的原因是在竖直方向上存在加速度,加速度方向向上产生超重,加速度方向向下产生失重,当向下的a=g时,产生完全失重。(2)物体处于超重和失重状态,重力没有发生变化,而是对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)发生了变化。(3)判断物体是处于超重或失重状态,是根据运动情况用牛顿运动定律来判断的。”

观看神舟五号运行的录像:升空时杨利伟为什么要采用平趟的姿势?杨利伟说:“当飞船升空时,感到有载荷,就是感到胸部受到压力,平时训练时这种压力可达到 8个G”。他说的这段话你现在能理解吗?杨利伟又说:“在船箭分离的时候,感到身体突然被抛了一下,就飘了起来,船里的小尘埃也飘起来了”。也就是说,这时船内的一切物体都处于完全失重状态,为什么完全失重状态出现在船箭分离的时候?飞船、太空站的完全失重状态和地面附近的自由下落完全失重状态是一样的吗?请以“太空飞船中的完全失重状态或 设计一种在微重力条件下的实验方案 ”为课题,以小组为单位利用寒假时间去开展研究性学习,完成研究性学习报告。屏幕打出:研究性课题:“有关太空飞船中的完全失重状态的研究”,同时打出作业布置:“作业布置:P78页实践与拓展第1题,练习第1、3两题。”

【 焦点预测 】

本节课的亮点来自学生对超重和失重提出问题,有的学生可能会提出:超重与失重是不是惯性?体检时站在台秤上看到指针摆来摆去是不是超重和失重?从过山车上下滑感觉到身体轻飘飘的,是不是失重?也许还会有学生提出:直升机竖直下落人会不会飘起来?如果学生能够在课堂上提出诸如以上的问题,教师应该及时捕获这些创新思维的火花,并正确引导,不断鼓励,最终总结出要探究的关键性问题。

二、教学设计思路

【 对教材的处理 】

以广东版教材为蓝本,吸取上海、北京、人教、山东等版本的精华进行教学内容的处理。引入课题的画面受到上海、山东版的启发;电梯中的超重与失重录像来自人教版的视频资源;学生分组的两个实验的原形是上海版的实验探究;对问题的思考、讨论、交流是广东版教材编排的特色,本节课保持这些栏目,但在内容上进行了重新选择;介绍用力传感器来探究超重和失重现象,是广东版独具的内容,并制作了配套的课件,这部分知识不但给予保留,还在此基础上设计了一道求最大加速度的例题;在进行超重和失重与运动方向、加速度方向关系的难点教学时,采用与运动相对应的四幅受力图,再以文字归纳规律这种学生习惯且易于接受的方式,而没有采用表格的呈现方式;最后播放的录像是从网上搜索得到的,杨利伟的一段话摘自上海版的“航天员的话”;把教材中“实践与拓展”的第 1题安排为课后作业,是因为题目过长,时间上不允许在课堂上进行练习;学生分组实验用的弹簧秤是学生在学习第三章时布置的一个课外小制作,今天用于教学,对学生的作品是一种肯定也是一个鼓励,这样做可以增强学习的兴趣,也可以促进学生今后去积极进行物理小制作;水瓶漏水实验,由于下落太快而难与观察,为了显示明显,把水染成了红色,并采用白纸和投影仪来辅助观察。对于失重的演示实验,人教网和上海版教参还介绍了几个,限于课时的时间限制,只好割爱。

【 对教学目标的设计 】

新课标《物理》的 课程总目标强调“学习科学探究方法,发展自主学习能力,养成良好的思维习惯,能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题”。“发展好奇心与求知欲,发展科学探索兴趣,有坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度与科学精神”。因此, 在设计教学目标时,为了着力体现新课标对课堂教学的要求,在教参的教学目标基础上补充了内容。在制定“知识与技能”目标时补充了“能够对力传感器和数据采集器采集到的超重与失重的 F-t图象进行分析;培养学生运用物理规律抽象生活实际问题的建模能力;培养学生自主学习的能力和进行总结归纳的能力”等三条。把对超重与失重的F-t图象的分析作为目标,是受到华师出给省实的终结性测评试卷的启发,在该卷中就出了一道根据传感器得到的F-t图象分析物体运动过程并进行有关计算的试题。把抽象生活实际问题的建模能力作为目标,是因为,超重与失重的问题实质上是牛顿运动定律的应用问题,通过超重与失重现象的研究,是进一步提高学生的从实际问题中抽象出物理问题再运用牛顿第二定律来解决的能力。

过程与方法,情感、态度与价值观目标:设计分组实验,让学生去体验超重和失重现象;设计多次讨论交流,激发学生学习的兴趣,培养良好的合作学习习惯,并产生掌握物理规律的正确价值观;设计理论探究过程进一步学习科学探究的方法,产生探究的成就感,同时也进一步巩固运用牛顿运动定律解决问题的处理方法。设计观看有关杨利伟的升空录像片断,根据杨利伟的讲话布置研究性课题,意在激发学生热爱祖国、热爱科学、勇于探索的热情。

【 对教学方法的设计 】

教学方法设计为探究、讨论和讲练相结合的方法。探究、讨论式 教学方法就是在教师的启发诱导下,以学生独立自主学习和合作讨论为前提,以教材为基本探究内容,为学生提供充分自由表达、质疑、探究、讨论问题的机会,让学生通过个人、小组、集体等多种解难、释疑的尝试活动,来获取新的知识并将自己所学知识应用于解决实际问题的一种教学形式。本节课只有把 探究、讨论和讲练结合起来才能实现教学目标,才符合新课标的要求。教师在课堂上发挥主导作用,努力去引导、去启发、去控制、去答疑、去评价。

【 对教学过程的设计 】

教学过程围绕超重和失重这个知识点,把问题看作是学生学习的动力、起点、和贯穿学习过程中的主线,把学生的学习过程看成是发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的过程。因此,本节课设计一系列问题串,问题的不断深入,形成教学的层次感,问题的最终解决过程就是教学的完成过程。首先设计播放有关航天飞机发射、太空站的录像片作为开始教学的情景,就提出了“什么是超重和失重现象?引起超重和失重的原因是什么?”点出了本节课的学习和探究的主题;接着引导学生观看在电梯中的录像,提出超重和失重的概念,回答了第 1个问题。在学生进行了两个实验之后提出问题“有没有观察到超重和失重现象?什么时候观察到了超重现象、失重现象?”;在学生回答完以上问题之后,引导学生自己提出有关超重和失重的问题,这是本节课的一个焦点,对于学生提出的问题,老师难以估计,但最终归结到具有探究意义的问题上来,这就是“产生超重和失重的原因是什么?”在组织学生自主探究时,再把问题具体化“能否根据我们掌握的运动规律来探究产生超重和失重的原因?”;当探究结果出来之后,马上让学生思考问题“水平方向的加速或减速运动会产生超重和失重吗?”,学生回答之后就组织学生讨论问题“产生超重的运动一定是向上的运动,产生失重的运动一定是向下的运动吗?”通过对此问题的讨论交流,教学难点就此突破。通过演示钻了孔的矿泉水瓶自由下落实验,提出问题“没有水漏出的原因是什么?”根据此问题引出了完全失重的概念。在学生通过自己实验观察了完全失重现象之后提出“产生完全失重的条件是什么?水瓶向上抛出,孔口的水会流出来吗?”深化学生对概念的理解,此时应用知识解决的问题是:“在完全失重情况下,弹簧秤还能测量物体的重力吗?天平还能测出质量吗?浸在水中的物体还受浮力的作用吗?水银气压计还能测出气压吗?”。一个“是否有把每时每刻的受力情况都记录下来的测力仪器?”的问题,把教学转移到通过力传感器,利用数据采集器观测超重和失重现象的教学上来;课堂的小结也是以回答“本节课我们学到了什么?”的学生评价性总结的形式来进行。最后以杨利伟的一段话设计了三个问题,让学生带回去进行研究性学习。统计下来,一共有11个应该回答或解决的问题,这些问题都能激发学生的认知冲动,都能激发学生对学习内容的兴趣,都与一项或多项教学目标相对应。

【 对学生学习活动的设计 】

本节课为学生设计了自主活动(自主探究超重和失重的原因)、师生活动(多次个别提问与交流)、生生活动(讨论与交流,学生上台讲解等)、小组活动(分小组实验,小组讨论)等多种学习活动情境。这样做就是要 创造一个充满生命活力的课堂, 真正把学生放到主体的位置上成为学习的主人,让学生在课堂上动起来 ,让学生去观察、去思考、去讨论、去探究、去交流、去体验成功和失败、去产生情感。让 学生在课堂上学会合作,感受和谐的欢愉、发现的惊喜,拼发出创造性思维的火花。 最后设计有关飞船的问题,要求学生去开展研究性学习,这样就把自主学习、合作学习、和研究性学习整合在一起了。

三、教学活动

问题