呂聲康

摘 要：高一學(xué)生剛接觸高中物理，對(duì)課本介紹知識(shí)懷有濃厚的興趣，本文闡述一節(jié)公開(kāi)課的準(zhǔn)備、完成教學(xué)及課后反思總結(jié)，提出課堂教學(xué)應(yīng)結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知情況、應(yīng)以學(xué)生感興趣的問(wèn)題為教學(xué)目標(biāo)，并探討課堂實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方式及效果。

關(guān)鍵詞：高中物理；課堂教學(xué)；超重和失重；物理實(shí)驗(yàn)

引言

在2016年12月初福州一中舉辦的公開(kāi)周中，筆者上了一節(jié)高一《超重與失重》的公開(kāi)課，課后感觸頗多，本文拋磚引玉，淺談對(duì)本節(jié)公開(kāi)課的一些感想和反思。

1 教材分析

《超重與失重》這部分內(nèi)容，在《考試大綱》中為I級(jí)要求，僅要求學(xué)生了解。魯科版教材中將其單獨(dú)撰寫(xiě)一節(jié)，魯科版的教師用書(shū)中對(duì)這節(jié)課的教學(xué)要求是“①通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象，知道超重和失重現(xiàn)象產(chǎn)生的條件；②知道超重和失重分別是指物體對(duì)支持面的壓力或?qū)依K的拉力大于和小于物體所受重力的情況” [1 ]，教材對(duì)學(xué)生要求也不高。在人教版教材中，“超重與失重”未單獨(dú)成節(jié)，只是在牛頓第二定律解決實(shí)際問(wèn)題中以例題的形式加以體現(xiàn)。對(duì)比人教版和魯科版兩個(gè)版本的教材可以發(fā)現(xiàn)，超重和失重現(xiàn)象的提出，更多是為了拓展牛頓第二定律的應(yīng)用，因此，如何讓學(xué)生更好的認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象，如何讓學(xué)生體會(huì)并理解生活中的超失重現(xiàn)象，強(qiáng)化物理與生活的聯(lián)系，這便是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)。

2 教學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)介

2.1 問(wèn)題引入

筆者先從兩段視頻讓學(xué)生知道超失重現(xiàn)象在實(shí)際中是經(jīng)常涉及的，第一段視頻為《盜夢(mèng)空間》電影中的一段，影片中呈現(xiàn)了當(dāng)汽車(chē)從大橋上沖下做落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，沉睡在車(chē)上的演員在夢(mèng)境中處于漂浮狀態(tài)，即影片中演員所說(shuō)的“零重力”狀態(tài)；第二段視頻為記者對(duì)楊利偉同志的采訪(fǎng)，楊利偉同志在敘說(shuō)返回艙返回時(shí)，宇航員會(huì)有較長(zhǎng)的時(shí)間處于“過(guò)載”。通過(guò)這兩段視頻提出什么是“零重力”？什么是“過(guò)載”？接著從生活中常見(jiàn)的稱(chēng)體重出發(fā)，邀請(qǐng)一位同學(xué)上講臺(tái)測(cè)量他的“質(zhì)量”（實(shí)際為重力），當(dāng)同學(xué)靜止在體重秤上時(shí)，讀數(shù)是穩(wěn)定的；但該同學(xué)在下蹲的過(guò)程中時(shí)，體重秤指針在不斷晃動(dòng)，讀數(shù)不穩(wěn)定，這說(shuō)明體重秤對(duì)人的支持力并不一定和人的重力相等，進(jìn)而提出問(wèn)題：體重秤的讀數(shù)和人的重力之間到底有什么樣的關(guān)系呢？

為具體探討體重秤讀數(shù)和人重力間關(guān)系，因稱(chēng)體重的實(shí)驗(yàn)精度不足，從體重秤中很難觀(guān)察出體重秤讀數(shù)的具體變化情況，于是引出用更精確的儀器來(lái)測(cè)量：用力傳感器代替體重秤，用一鉤碼代表該同學(xué)，用力傳感器拉著鉤碼下降即相當(dāng)于人下蹲的過(guò)程，由此可得到如圖1所示力傳感器上拉力的變化情況。通過(guò)對(duì)該圖象的分析，引出超重和失重的概念，并歸納出何時(shí)支持力（或拉力）大于重力——超重現(xiàn)象，何時(shí)支持力（或拉力）小于重力——失重現(xiàn)象。在此前提下，探討超重、失重現(xiàn)象的應(yīng)用，解釋“零重力”、“過(guò)載”問(wèn)題。

2.2 現(xiàn)象解釋及超失重在實(shí)際中的應(yīng)用舉例

2.2.1 過(guò)載：如圖2，在返回艙減速下降時(shí)，若有宇航員在練習(xí)舉重，宇航員對(duì)杠鈴的支持力和杠鈴重力的關(guān)系如何？根據(jù)牛頓第二定律可知FN=mg+ma，即處于超重狀態(tài)時(shí)，支持力大于重力。若向下的加速度a=4g，可知FN=5mg，宇航員對(duì)杠鈴的支持力為杠鈴重力的5倍。

延伸：宇航員的頸椎對(duì)腦袋的支持力和腦袋的重力關(guān)系如何？

結(jié)論：當(dāng)飛船有向上加速度時(shí)，人體內(nèi)部各器官間在豎直方向上的相互作用力較在地面上處于平衡時(shí)大——過(guò)載。因而在宇航員乘坐火箭升空過(guò)程或返回艙返回時(shí)，宇航員為確保安全，應(yīng)以躺姿躺在駕駛艙內(nèi)座椅上。（展示宇航員躺在駕駛艙內(nèi)的圖片）

2.2.2 零重力：如圖3，以在加速下降的電梯內(nèi)舉重運(yùn)動(dòng)員舉重為例來(lái)探討。

問(wèn)題：若電梯向下的加速度不斷增大，人對(duì)杠鈴的支持力如何變化？

歸納：由牛頓第二定律可知：FN=mg-ma

當(dāng)a

當(dāng)a=g 時(shí)，F(xiàn)N=0， 完全失重狀態(tài)

零重力：當(dāng)物體有向下的加速度a=g時(shí)，物體處于完全失重狀態(tài)，此時(shí)物體間雖有接觸，但彼此間的相互作用力為零，如坐在椅子上的人對(duì)椅子的壓力為零，此時(shí)，抽去椅子對(duì)人無(wú)影響，即人可漂浮在空中。

延伸：在完全失重情況下，（1）彈簧秤測(cè)量物體的重力，讀數(shù)為多少？——實(shí)驗(yàn)展示所測(cè)重力為零；（2）懸浮在液體內(nèi)部的物體所受的液體浮力多大？——理論推導(dǎo)后視頻展示自由下落的水瓶?jī)?nèi)水不從下方的小孔噴出。

2.3 課外延伸閱讀思考——學(xué)科滲透，激發(fā)興趣

（1）在完全失重情況下，火焰能持續(xù)燃燒嗎？燃燒時(shí)火焰是什么形狀？

（2）完全失重狀態(tài)對(duì)植物生長(zhǎng)有何影響？

（3）完全失重狀態(tài)對(duì)細(xì)胞的分裂有影響嗎？

3 課后反思

3.1 興趣——求知的“催化劑”

物理來(lái)源于生活，服務(wù)于社會(huì)，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)牛頓第二定律在超重與失重現(xiàn)象中應(yīng)用熟練程度的最好方法，即讓學(xué)生將該部分知識(shí)投入到應(yīng)用中，學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容最感興趣的“點(diǎn)”是什么呢？為此，筆者在網(wǎng)絡(luò)上搜索統(tǒng)計(jì)關(guān)于“超重和失重”問(wèn)題，絕大多數(shù)的疑問(wèn)集中在完全失重上，如宇航員為何可以漂浮在空中？完全失重時(shí)水為何為球形？完全失重時(shí)火焰能繼續(xù)燃燒嗎？……這與我國(guó)宇航員在完全失重情形下進(jìn)行的太空授課深入人心有關(guān)，但也折射出大多數(shù)人對(duì)完全失重及由此引發(fā)的問(wèn)題的莫大興趣。成功的課堂教學(xué)就應(yīng)最大程度的解決學(xué)生最感興趣的某些問(wèn)題?！冻嘏c失重》這節(jié)課，便以學(xué)生最感興趣的完全失重作為切入點(diǎn)，深入淺出的闡述超重與失重的原理，在成功解釋完全失重問(wèn)題的同時(shí)，一并示范解決問(wèn)題的一般思路，同時(shí)提高學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣，效果相當(dāng)不錯(cuò)。

3.2 實(shí)驗(yàn)——理論聯(lián)系實(shí)際的“試金石”

物理課堂離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)課堂實(shí)驗(yàn)的思考主要有以下幾個(gè)方面。

3.2.1 演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)

在公開(kāi)課教學(xué)中較多教師喜歡學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，這樣學(xué)生的參與度高，也易調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和培養(yǎng)學(xué)生的探知精神，但這并不意味著演示實(shí)驗(yàn)就達(dá)不到這樣的效果。對(duì)《超重與失重》這節(jié)課，魯科版教材中提出一個(gè)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：彈簧測(cè)力計(jì)拉著物體上升或下降時(shí)，觀(guān)察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化及與物體重力的關(guān)系。從課堂實(shí)際效果而言，學(xué)生參與興趣很高，但因物塊加速或減速時(shí)間過(guò)短，且是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中觀(guān)察示數(shù)，大多數(shù)學(xué)生沒(méi)有觀(guān)察到較明顯的示數(shù)大于或小于重力的情況，效果并不太好。較這分組實(shí)驗(yàn)，若在課堂中利用力傳感器將讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)實(shí)時(shí)做出，雖沒(méi)有讓學(xué)生實(shí)際參與該操作過(guò)程，但每個(gè)學(xué)生都能清晰的觀(guān)察到何種情況下懸繩對(duì)物體的拉力大于重力，何時(shí)拉力小于重力，學(xué)生以此能投入到有效的思考當(dāng)中，效果更突出。因而在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)思考的是，課堂實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生參與的目的何在？分組實(shí)驗(yàn)是要體現(xiàn)“學(xué)生參與”這個(gè)形式嗎？答案是否定的！無(wú)論是演示實(shí)驗(yàn)還是參與實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)應(yīng)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的意識(shí)，并能對(duì)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行思考。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能引發(fā)學(xué)生思考和分析，那無(wú)論何種形式，應(yīng)該都是成功的。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)精度問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)的目的就是在人為制造的條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量讓學(xué)生更好的理解事物的規(guī)律和現(xiàn)象的本質(zhì)，那是否意味著精度越高，學(xué)生對(duì)物理的認(rèn)知就更好呢？在驗(yàn)證或探究型實(shí)驗(yàn)中，如驗(yàn)證平行四邊形定則，探究合外力、質(zhì)量、加速度三者間的關(guān)系等實(shí)驗(yàn)中，筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)精度越高越有說(shuō)服力，越能讓學(xué)生感受到物理規(guī)律的客觀(guān)基礎(chǔ)，如驗(yàn)證平行四邊形實(shí)驗(yàn)中，使用傳統(tǒng)的彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量分力與實(shí)際合力，以此數(shù)據(jù)作圖，大多數(shù)同學(xué)所得理論合力與實(shí)際合力在大小和方向上有較大的偏差，在這種情況下，教師不得不強(qiáng)調(diào)說(shuō)“更精確的實(shí)驗(yàn)表明”，這顯然缺乏說(shuō)服力！此時(shí)若采用精度更高的儀器來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，如利用力傳感器測(cè)量力，更精確的測(cè)定力的方向等，對(duì)驗(yàn)證平行四邊形定則而言，效果更佳。但在探討某些物理現(xiàn)象時(shí)，單一的精度高的實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果并不一定能讓人滿(mǎn)意。如《超重與失重》內(nèi)容的教學(xué)中，若僅用力傳感器演示拉力大于或小于重力情況，學(xué)生不能很好地將超失重情況與實(shí)際生活相聯(lián)系。若在課堂上能展示兩種不同精度的實(shí)驗(yàn)，精度較低的實(shí)際生活現(xiàn)象的課堂演示用以認(rèn)識(shí)現(xiàn)象，精度高的模擬實(shí)際現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)用以探究現(xiàn)象，這樣的效果反而更為明顯、更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的激情。因而在本節(jié)課中，筆者利用最常見(jiàn)的體重秤測(cè)體重，當(dāng)站在體重秤上的同學(xué)下蹲時(shí)，發(fā)現(xiàn)體重秤的讀數(shù)不穩(wěn)定，利用這一現(xiàn)象引發(fā)探討，在這個(gè)實(shí)際生活的例子中，并不能很好的觀(guān)察到體重秤的讀數(shù)如何變化，僅能觀(guān)察到指針晃動(dòng)，但由此引發(fā)學(xué)生探知興趣：體重秤的讀數(shù)具體是如何變化的？為何人下蹲時(shí)體重秤讀數(shù)會(huì)不穩(wěn)定？……為解決這些問(wèn)題，再使用更精確的儀器設(shè)備，如用力傳感器上掛一鉤碼來(lái)模擬測(cè)體重的過(guò)程，由此得出清晰的鉤碼下降或上

升時(shí)傳感器示數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。這樣的設(shè)計(jì)，既讓學(xué)生觀(guān)察現(xiàn)象，又讓學(xué)生體驗(yàn)建模過(guò)程，提供分析現(xiàn)象所需的數(shù)據(jù)，效果相當(dāng)顯著。

3.3.3 為分析現(xiàn)象而設(shè)計(jì)的“假想”實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是否一定要現(xiàn)場(chǎng)演示？筆者認(rèn)為，在具體解釋某些現(xiàn)象時(shí)，課堂上并不一定要呈現(xiàn)實(shí)際的演示實(shí)驗(yàn)，甚至有些實(shí)驗(yàn)在課堂上是無(wú)法展示的，此時(shí)，可利用教師設(shè)計(jì)的、能激發(fā)學(xué)生思考熱情的“假想”實(shí)驗(yàn)。如《超重與失重》課程中解釋“過(guò)載”現(xiàn)象時(shí)，教師無(wú)法讓學(xué)生清晰體驗(yàn)過(guò)載時(shí)的感覺(jué)，即使做實(shí)際實(shí)驗(yàn)，也只是利用模型讓學(xué)生“看到”物體處于“過(guò)載”當(dāng)中，但學(xué)生缺乏體驗(yàn)。為更好的解決這個(gè)問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了返回艙或電梯中人舉重的情景，如圖4，當(dāng)返回艙返回地球做減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)分析可知人對(duì)杠鈴的支持力大于杠鈴的重力，繼而問(wèn)，若將杠鈴扛在肩膀上呢？學(xué)生很容易的出肩膀?qū)Ω茆彽闹С至θ源笥谄渲亓?；再設(shè)問(wèn)，若運(yùn)動(dòng)員沒(méi)有扛杠鈴，直立在返回艙中，會(huì)有什么感覺(jué)？……通過(guò)不斷設(shè)置問(wèn)題進(jìn)行分析，學(xué)生對(duì)于過(guò)載進(jìn)行了思想上的體驗(yàn)，對(duì)“火箭升空或返回地球時(shí)宇航員是躺在艙中”這一現(xiàn)象便能理解。本節(jié)課中，教師設(shè)計(jì)的模型雖不是具體的實(shí)驗(yàn)，但模型在解釋問(wèn)題的本質(zhì)上與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)是具有等同的效果的。

蓋瑞·祖卡夫在他的《像物理學(xué)家一樣思考》書(shū)中說(shuō)，拼音“wuli”中用不同的“wu”接相同的“理”，可以是“無(wú)理”，也可以是“悟理”，還可以是“吾理” [2 ]。筆者覺(jué)得，一節(jié)課若能讓學(xué)生對(duì)某一現(xiàn)象的認(rèn)知，從課前認(rèn)為“無(wú)理”，到課堂上開(kāi)始“悟理”，進(jìn)而在課后轉(zhuǎn)化為“吾理”，那無(wú)疑是相當(dāng)成功的，那就是一節(jié)真正的“物理”課。

參考文獻(xiàn)：

[1]中學(xué)物理教材編寫(xiě)組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理1（必修）教師用書(shū)（第4版）[M].濟(jì)南：山東科技出版社，2010：104.

[2][美]蓋瑞·祖卡夫.像物理學(xué)家一樣思考[M].?？冢汉Ｄ铣霭嫔纾?011：6-7.