学年沪科版必修155超重与失重 教案.docx
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学年沪科版必修155超重与失重教案
教学设计
5．5超重与失重
超重、失重是日常生活中比较常见的物理现象，学生往往能感受到，但并没有注意到这一现象的特点，也不明确这就是超重、失重现象。
怎样才能让学生不是机械化地记住超重、失重的现象，而是真正理解超重、失重的条件与本质所在，才是本堂课学习的重点和难点。
课标要求是：
“通过实验认识超重和失重现象”，要求学生能通过一些实验或具体的活动来了解和体验超重和失重。
理解超重和失重产生的条件与实质。
本节教材是学生学完牛顿运动定律后，知识的迁移和应用部分，因此本节是本章的一个比较重要的、典型的应用型知识点。
表现其一：
超重和失重产生原因的分析，要用到牛顿第二、第三定律，这不仅有利于学生巩固对定律的内容理解，也有助于培养学生分析问题的能力。
其二，这是一个贴近日常生活的实际问题，能激发学生的学习兴趣和体会物理的生活化。
其三，超重和失重现象与航天技术紧密联系，让学生了解我国前沿科学，意在激发学生的情感价值。
本节课教学中利用了实验和理论探究的方法，自主学习与小组合作学习的方式，让学生自己体验、分析、归纳、讨论、评价及得出结论。
激发了学生的学习兴趣，养成动手与合作能力，生成学生透过现象看本质的物理意识。
学生有牛顿运动定律的学习基础，完全可以通过自主体验与自主学习来完成本节课的内容。
学生可能将超重、失重现象与牛顿运动定律知识割裂，教学中要注意引导学生，将新知识纳入旧知识结构，让学生体会到超重、失重只是牛顿运动定律知识的迁移与应用而已。
三维目标
知识与技能
1．认识超重和失重现象；
2．知道产生超重、失重现象的条件；
3．能够运用牛顿第二定律和牛顿第三定律分析超重和失重现象。
过程与方法
1．经历实验观察、实例探究讨论交流的过程，体验超重和失重现象。
2．经历实验和理论探究过程，体会科学探究的方法，领略运用牛顿运动定律解决实际问题的方法。
情感、态度与价值观
1．体会生活中的超重和失重现象，生成“学以致用”的思想，激发学生的学习热情。
2．了解一些我国航天技术的成就，激发学生对科学的兴趣和热情。
3．体验自主学习过程，养成乐于细心观察、勤于思考和相互交流的学习习惯和合作精神。
重点与难点
重点：
什么是超重、失重及产生超重、失重现象的条件、实质。
难点：
（1）产生超重和失重现象的实质；
（2）运用牛顿第二定律和牛顿第三定律对超重和失重现象的实例分析。
教学策略与手段：
“情景——问题——探究——结论”的学生自主探究教学模式。
课前准备
分组实验：
改进后的教具“记忆型”超重失重演示器（二人或四人一组）
演示实验：
多媒体设备一套，可乐瓶、水、纸带、钩码，“神舟5号”发射和运行及回收过程剪辑录像，电梯内的超重、失重录像片，人在体重计上下蹲与站立视频，DIS实验器材
教学过程
（一）趣味实验激发悬念
演示1：
在纸带中间部位剪个小缺口，纸带的一端牵挂一重物，重物另一端用手托住，提起重物向上匀速运动，这时纸带没有断；然后向下匀速运动，纸带依然没有断；提着重物向下加速运动，突然停住，纸带断裂！
问：
纸带为什么会断，到底在什么时候断？
（这个实验的设计简单而巧妙，做向下加速实验前，可先让同学们猜测。
让人直接体验了超重又有些意料不到。
）
演示2：
取一装有水的可乐瓶，在底面打一小孔，水从孔中喷出。
现将可乐瓶竖直向上抛，问：
此时，水还会不会再从小孔中喷出？
（也可以师生共同做抛接水瓶游戏）
（将孔开在底部和做竖直抛起运动，增强思维冲突。
这一问，还真不敢轻易下结论！
实验前，可先让同学们猜测。
）
教师：
生活中有许多司空见惯的事，可是只要我们仔细观察，会发现许多意想不到的、有趣的秘密。
这节课我们来揭示此现象的秘密——引出主题：
超重与失重。
（点出本节课的学习和探究主题：
什么是超重（失重）现象？
引起超重（失重）现象的原因是什么？
）
呈现学习目标：
（1）什么是超重（失重）现象？
（2）什么样运动情况下会出现超重（失重）现象？
（3）为什么会出现超重（失重）现象？
（二）新课教学
1．分组实验——感受什么是超重（失重）现象。
（1）介绍仪器
如图，将超重、失重演示器，加装定向片与记忆指针，自行改装成“记忆型”。
重物对平台的压力大小可以通过指针的偏转来显示，通过定向旋钮，记忆指针分别可以“定格”压力在变化过程中的最大和最小值。
（2）分组实验，发现问题
教师将学生分组。
学生分组实验，组内讨论交流。
小组代表说说小组成员在实验中发现的现象，以及想知道的疑问。
教师对学生的实验方式和交流问题，作出适当的反馈与评价。
（引导学生关注观察压力大小变化，将其原因暂时搁置）
（3）提出概念
学生的实验方法可能各种各样，为了将教学面向全体学生，让全体学生明确概念，教师演示，引导学生观察读数的变化，并归纳总结。
步骤①：
超重、失重演示器静止时，观察示数，该示数为重物对平台的压力，等于重物的重力。
步骤②：
超重、失重演示器向上加速并停止过程。
演示器向上启动过程，观察到示数大于重物的重力；演示器停止的过程中，观察到示数小于重物的重力。
师：
如果是用弹簧秤挂一个重物，一起向上启动过程，观察到示数大于重物的重力，在停止的过程中，观察到示数小于重物的重力。
（说明：
只是变化太快我们不容易观察到而已！
）
这种物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体重力的现象，称为超重现象。
物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体重力的现象，称为失重现象。
（此环节，用自行改装的仪器突破“瞬间即失”的实验难点，用记忆指针将其“定格”。
教学的焦点是认识超重与失重的现象。
学生对实验中的体验，可能会提出关于下一环节的一些问题，教师也要作出适当评价，并为下面作铺垫。
）
◆过渡语：
爱因斯坦说：
“全部的科学，不外是日常想法的提炼”。
我们认真观察到现象，还要对观察到的现象深入思考，然后提炼出自己的看法！
2．实验验证——感知什么样运动情况下会出现超重（失重）现象。
师：
现在我们知道超重和失重现象了，（针对某小组提出的问题）那么，你们在什么样的运动情况下观察到超重与失重现象？
（1）回味现象，进行猜想
让学生回忆上面实验现象，大胆猜想，发生超重与失重现象可能与哪些运动量有关？
（学生可能会提出：
速度的方向，速度的大小，加速度的方向，加速度的大小，位移的大小及方向等）
（2）组内讨论验证
小组内成员针对问题进行交流讨论。
讨论主题：
用你们的实验方式观察，在什么样的运动情况下出现超重与失重现象？
此时物体运动状态到底如何？
完成学案中思考题。
思考题：
①物体的超重和失重是取决于物体运动（速度）的方向吗？
______。
②水平方向存在加速或减速运动会产生超重和失重现象吗？
如何验证？
________________________________________________________________________。
③分析实验情况，得到实验结论是________________________________________________________________________。
（3）组间交流评价
请小组代表（甲）上讲台发表自己的看法，可以一边演示一边讲解。
请另一组代表（乙）对代表（甲）提出问题、作出评价或提出自己的认识。
教师据教学现场，多请几组作相互交流与评价。
（4）教师引导整合
教师在众多的交流问题中，抓住主要问题“在什么样的运动情况下出现超重与失重现象”进行引导。
师：
据学生交流评价和达成的共识，依次完成板书如下（副板书1）：
（5）师生达成共识：
物体处于超重还是失重状态，仅由竖直方向的加速度决定，与物体速度方向无关。
（此环节教学焦点是从运动特征上，深入观察实验与讨论分析，通过组内合作、组间交流评价，来突破教学重难点。
上环节为学生对超重与失重的“心灵”上的“感受”，此时带来“量”上的“感知”。
当然下一环节应该给学生以“本质”上的“感悟”。
）
◆过渡语：
我们从运动学的角度分析了竖直方向存在加速度物体会产生超重与失重现象。
超重与失重现象是不是物体的重力发生了变化呢？
（停留片刻）下面我们能否根据掌握的运动规律来探究出现超重与失重现象的本质呢？
3．理论探究——感悟为什么会出现超重和失重现象。
（1）组织探究
针对分组实验，组织小组继续自主探究“物体产生超重与失重的本质”，并完成学案。
教师引导学生用牛顿运动定律的分析方法来分析问题，指导学生把探究结果写在学案上。
投影学生的探究结果，请小组代表上台讲解，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：
假定运动（向上或向下、加速或减速）→选取研究对象进行受力分析→根据F＝ma列出方程得出支持力的表达式→根据牛顿第三定律对压力的变化判断。
教师在小组代表讲解基础上，补充上环节的副板书。
探究结果：
产生超重与失重现象的原因是在竖直方向上存在加速度，本质是物体对支持物的压力大小变化，物体的重力始终没有变化。
（教师总结）多媒体投影：
超重失重的解释
（2）结果外推
讨论：
物体在失重的情况下，加速度等于重力加速度时，将会发生什么现象？
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。
（3）前后呼应
小组讨论并发言，解释引入课题中的演示1和演示2（学生可能将实验方法作拓展，教师要给以适当的评价）。
（理论探究也是探究学习重要的方式之一。
此环节通过学生自主理论探究，既对超重和失重现象的本质有亲身的感悟，也对超重和失重有了从现象到本质的成功体验，还突破了难点。
小组讨论解释引入的实验现象，既前后呼应，也体验到学习成功感。
）
◆过渡语：
我们从生活现象出发，学习的超重和失重现象及本质，回归生活实践，还可以解释哪些现象呢？
4．丰富现象回归实践
小组交流、讨论、举出生活实践中的超重和失重现象，代表陈述。
教师准备三个事例素材，让学生讨论并解释：
（据教学时间与条件进行取舍）
实例1：
一个同学站在健康秤上完成一个下蹲和起立的过程，另外一个同学观察健康秤示数的变化情况。
先让学生议议可能看到的现象。
后请仔细观察这样几个读数：
（1）人站在秤上静止时健康秤的示数为多少；
（2）在下蹲的过程中健康秤的示数发生了怎样的一种变化；（3）最后当他蹲下后静止时示数又为多少；（4）在站立的过程中健康秤的示数发生了怎样的一种变化；为了使所有的同学都能看清实验的过程，我请一位同学当场摄像（或者课前将过程拍摄），等一下播放给大家看。
实例2：
谈谈我们平时乘电梯时有何感受，并试着解释。
在学生讨论交流之后。
学生：
观看运动的电梯内学生健康秤示数变化的视频。
（事先拍摄，增强真实感）
教师引导学生观察并解释，强化学生正确的生活体验，纠正错误的体验。
◆过渡语：
以上两个实例中的超、失重现象，示数变化不定，且瞬间即逝，难以观察，有把瞬间的受力变化情况完整记录下来的仪器吗？
DIS实验模拟以上两个实例。
布娃娃代替人，用力放下后停住与拉起后停止的运动，来模拟“下蹲和起立的过程”和“乘电梯过程”（布娃娃的底部放置有压力传感器），试解释描绘出的压力和时间的变化关系曲线。
实例3：
观看录像“神舟5号的发射、运行、回收过程剪辑录像”
（教师以此为素材介绍超重和失重现象的利与弊，让学生体会物理与科学的联系，感受科技离我们并不遥远，激发学习的兴趣，培养学生想象力及综合分析问题的能力。
）
可能的教学素材有（配一些图片）：
①升空时杨利伟为何要采取躺着的姿势？
杨利伟说：
“当飞船升空时，感到有载荷，就是感到胸部有压力，平时训练时这种压力可达到8个G。
”
②杨利伟又说：
“在箭船分离时，感到身体突然被抛了一下，就飘起来，船里的尘埃也飘起来了。
”
③1990年，18岁的俞纬设计的“草履虫生成”实验项目，被美国国家航天局选中，搭乘“发现号”航天飞机进行太空实验。
④2003年，景山中学女生李桃桃提出“蚕在太空吐丝结茧”搭载实验，由美国“哥伦比亚”号航天飞机送入太空实验，遗憾的是“哥伦比亚”号返回时失事坠毁。
⑤2003年云南省金实小学的学生申请的“跳舞草种子”搭载实验方案通过，由我国第18颗返回式卫星送上太空。
……
让学生试着理解这些话语或事件，鼓励学生课后继续查阅自己感兴趣一些问题，如太空饮食、太空睡觉、太空悬浮冶炼等等。
相关链接：
http：
//myh.vov.cc/20040000999117/jxzyc/yw/1/29/kb/1/kzzl.htm
http：
//
（此环节，学生可能会举出过山车下滑，跳楼机或蹦极运动的惊险与刺激，身体的轻飘的感觉、被甩的感觉等等，教师及时捕捉学生的创新思维的火花，并正确引导，指出问题的实质。
讨论交流三个事例，使问题从感性升华到理性。
DIS实验让学生感受新科技给物理实验带来的革新。
相关链接指引学生课外学习的方向）
5．反馈应用巩固知识
（1）练一练
【例】升降机地板上放一个弹簧式测力计，托盘上放一个质量为20kg的物体，如图所示，当升降机：
（1）以4m/s的速度匀速上升时，测力计读数是多少？
（2）以1m/s2的加速度竖直上升时，测力计的读数是多少？
（3）以1m/s2的加速度竖直下降时，测力计的读数是多少？
探究：
物体运动过程中受到两个力：
重力G和测力计对物体的支持力F。
由于测力计对物体的支持力F与物体对测力计的压力F′是一对作用力和反作用力，根据牛顿第三定律，只要求出F就可知道F′。
我们根据牛顿运动定律列出方程，找出几个力之间以及它们与加速度之间的关系，这个问题就能解决了。
解析：
以放在测力计上的物体为研究对象，取向上的方向为正方向。
（1）当升降机匀速上升时，加速度a＝0。
根据牛顿第二定律知：
F合＝F－mg＝ma＝0。
解得测力计对物体的支持力F＝196N。
根据牛顿第三定律：
F＝F′。
则可知测力计的读数为196N。
（2）因升降机加速上升，则a＝1m/s2，方向向上，根据牛顿第二定律得：
F合＝F－mg＝ma。
解得测力计对物体的支持力F＝216N。
根据牛顿第三定律：
F＝F′。
则可知测力计的读数为216N。
（3）因升降机加速下降，则a＝－1m/s2，方向向下，根据牛顿第二定律得：
F合＝F－mg＝ma。
解得测力计对物体的支持力F＝176N。
根据牛顿第三定律：
F＝F′。
则可知测力计的读数为176N。
答案：
（1）196N
（2）216N（3）176N
结论：
当升降机匀速运动时，测力计的读数等于物体的重力；当升降机加速上升（或者减速下降）时，测力计的读数大于物体的重力；当升降机加速下降（或减速上升）时，测力计的读数小于物体的重力。
（2）想一想
①在完全失重情况下，弹簧秤还能称出物体的重力吗？
天平还能称出物体的质量吗？
浸在水中的物体还受到浮力吗？
水银气压计还能测出气压吗？
②一个人想一次携带三个相同质量的铁球过独木桥，可是独木桥的最大承受力，只有人和一个铁球的重力之和。
他灵机一动，用如图的方法过桥，使任意时刻手上只有一个铁球，你认为可以吗？
③为什么心脏病人不宜乘坐以下工具？
（多媒体投影）
（3）做一做
①用冰淇淋纸杯做失重实验
如图所示，把两个金属螺母（直径10～12毫米）拴在一根橡皮筋的两端，再把橡皮筋的中点用一短绳固定在冰淇淋纸盒（或铁罐）底部正中，让螺母挂在空盒的口边上。
实验时让空盒从约2米的高处自由下落，你会发现螺母被橡皮筋拉回盒中，并发生“咔哒”的撞击声。
请你试一试，并思考：
为什么下落时，螺母会被拉入盒内？
②用手电筒做超重、失重实验
将手电筒竖直向上放置，打开开关，旋松后盖使小电珠恰能点亮。
实验时手持电筒，保持它在竖直方向，突然向上运动，你会看到小电珠熄灭。
如果使上述电筒的后盖稍许再旋松一点，直至小电珠刚刚熄灭，然后手持手电筒突然向下运动，小电珠就会点亮。
（通过“练一练”“做一做”“想一想”进一步巩固了结论，培养学生分析、解决问题的能力、动手能力和创造力，让人真正感受到超重和失重就在我们身边，体验物理知识的生活化。
据教学时间情况，不一定在课堂内完成，尤其“做一做”让学生在课外动手体验。
）
6．自我评价小结
课堂小结：
让学生以“本节课我学到了什么”为话题进行评价性小结。
教师引导学生从知识和方法两个角度来小结。
最后以一首自编打油诗结束：
超重失重随处见，
其实并非重力变；
压力拉力增与减，
牛顿定律来实现。
5．5超重与失重
一、现象
二、条件
三、实质
教学流程图
教学反思
1．本节课采取“情景——问题——探究——结论”的教学方法，学生在趣味实验的激发中，问题的引领下，“我要学、我想学”的情绪洋溢在整个课堂。
通过自主体验、小组互动、组间互评、自我评价改变学生以往的学习方式，体现新课程提倡自主学习的新理念。
2．趣味实验虽简单，但对其的热情高涨出乎教学前的预料；自行改装的“记忆型超重失重演示器”效果非常好；DIS实验也让学生体会到科技的力量。
3．在自主学习超重与失重时物体运动方向、加速度方向关系难点，采用“图式配文字”的形式。
实践表明，符合学生的认知习惯，避免给定“表格”而限制学生的思维和带来的繁琐感。
4．学生自主探究时，有的学生不知道从哪里下手，要求教师给以必要的指导，应该提示学生自主探究的三个环节，分别从“观察压力大小变化——分析运动情况——分析受力情况”去探究。
如果疏于引导，将会拖延时间，导致教学被动。
5．在教师的引导下学生自主探究的教学，对教师的要求更高，需要教师有更强的课堂驾御能力。
如教师要调动现场的教学资源。
学生在实验、小组学习和组间互评中，发现与交流的问题是各种各样的，教师要做适当的评价与激励，捕捉学生的瞬间思维，并且不留痕迹，将有效的教学资源加以利用，完成引导学生对超重与失重的“感受——感知——感悟”的过程。
同步练习
1．某人站在一台秤上，当他猛地下蹲的过程中，台秤读数（不考虑台秤的惯性）（ ）。
A．先变大后变小，最后等于他的重力
B．变大，最后等于他的重力
C．先变小后变大，最后等于他的重力
D．变小，最后等于他的重力
解析：
人在台秤上猛地往下蹲的过程中，以人的重心为研究对象，先往下做加速运动，后往下做减速运动直至速度减为零，即人的加速度方向是先向下后向上，所以先失重后超重，台秤的示数先减小后增大，最后稳定时等于人的重力。
答案：
C
2．我国于2003年10月15日成功发射了“神舟”五号载人飞船，并环绕地球14周后于次日成功返回。
当它绕地球飞行时，在舱内不能完成的实验是（）。
A．用刻度尺测量物体的长度
B．用弹簧测力计测量物体重力
C．用天平测物体的质量
D．用水银气压计测舱内大气压
解析：
飞船绕地球飞行时，飞船以及舱内的物体都处于完全失重状态，所以用弹簧测力计不能测重力；天平的原理是等臂杠杆，不能在舱中测质量；水银气压计也不能测舱内的气压；但可以用刻度尺测量长度，所以应选B、C、D项。
答案：
BCD
3．一质量为m的人站在电梯中，电梯加速上升，加速度大小为
g，g为重力加速度。
人对电梯底部的压力为（）。
A.
mgB．2mgC．mgD.
mg
解析：
此人处于超重状态，分析此人受力，由牛顿第二定律
N－mg＝ma，N＝m（g＋a）＝
mg，
再根据牛顿第三定律，人对底部压力的大小为
mg。
答案：
D
宇航员在太空面对的超重和失重问题
我国的载人飞船已经成功地进行了飞行。
载人航天飞行具有较大风险，宇航员要面对与地面不同的恶劣的太空环境，如振动、冲击、噪声、失重、超重、宇宙辐射、高真空、昼夜节律变化、剧烈的温度变化、超负荷的心理和工作压力等，这些环境因素可能导致宇航员的心血管系统功能紊乱、航天运动病、骨骼与肌肉结构和功能变化、感觉—运动功能迟缓、睡眠周期紊乱、情感抑郁等一系列生物医学和心理方面的问题，严重者甚至可能威胁到宇航员的生命。
超重
在载人航天器的发射加速上升段，宇航员要经受5倍于地球引力的超重过载，125dB的高强噪声和振动刺激；宇航员返回地面时则要经受开伞减速和着陆冲击的考验。
这些统称为超重或者过载，重力作用于人体的方向由头至足的则称正超重；反之，重力的方向由足至头时称负超重。
正超重时，血液受惯性力作用由上身转移到下身，引起头部、上身缺血，造成视力障碍，严重时可发生晕厥。
高G值的超重，人取坐姿难以适应，所以宇航员通常采取仰卧姿，这对人体的影响较轻。
人对8G值的横向超重可耐受十多分钟。
航天中经受的这种横向超重，一般时间较短，经过训练的宇航员容易耐受。
失重
失重是航天飞行中的一个特殊物理现象，载人航天实践证明，失重对人体的生理功能有很大影响，但不像原先想象的那样严重。
生物在长期的进化过程中，形成了与地球重力环境相适应的生理结构与功能特征，但进入太空后，由于地球重力作用几乎完全消失，生物有机体处于一种失重状态。
人类40多年的航天实践表明，微重力环境对宇航员的健康、安全和工作能力会产生重要影响，中长期航天飞行可导致宇航员出现多种生理、病理现象，主要表现为心血管功能障碍、骨丢失、免疫功能下降、肌肉萎缩、内分泌机能紊乱、工作能力下降等。
失重可引起心血管功能的改变。
失重时人体的流体静压丧失，血液和其他体液不像重力条件下那样惯常地流向下身。
相反，下身的血液回流到胸腔、头部，可引起宇航员面部浮肿，头胀，颈部静脉曲张，鼻咽部堵塞，身体质量中心上移。
人体的感受器感到体液增加，机体通过体液调节系统减少体液，出现体液转移反射性多尿，导致水盐从尿中排出，血容量减少，血红蛋白量也可相应减少；还可出现心律不齐、心肌缺氧以及心肌的退行性变化，并出现相应的心脏功能障碍，如心输出量减少、运动耐力降低等，返回地面后对重力不适应而易于出现心慌气短以及体位性晕厥等表现。
这些可严重影响人体健康和工作效率，因而成为中长期载人航天飞行的一大障碍，也是迫切需要解决的航天医学问题。
随着航天飞行的时间延长，心血管功能可在新的水平上达到新的平衡，心率、血压、运动耐力以及减少的血容量和血红蛋白可逐步恢复到飞行前的水平。
长期失重会引起人体的骨钙质代谢紊乱。
人体失重后，作用于腿骨、脊椎骨等承重骨的压力骤减，同时，肌肉运动减少，对骨骼的刺激也相应减弱，骨骼血液供应相应减少，在这种情况下，成骨细胞功能减弱，而破骨细胞功能增强，使得骨质大量脱钙并经肾脏排出体外。
骨钙的丢失会造成两个后果：
骨质疏松和增大发生肾结石的可能。
失重所导致的骨丢失随飞行时间的延长而持续进行，而且这种骨质疏松一旦形成，回到地面重力环境下也难以逆转。
长期失重还可引起对抗重力的肌肉出现废用性萎缩，宇航员在长期的航天飞行中加强肌肉锻炼可以延缓这种肌肉萎缩，回到地面重力环境中后，进行积极的肌肉锻炼可以逐步使肌肉萎缩得到一定的恢复。
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