超重与失重 教学案例

南靖第二中学物理组

公开课教案——【物理科】

授课人：吴旺本 班级：高一年一班

时间：二○一○年一月十三日星期三 上午第三节

地点：物理多媒体教室

力学部分

第六章第四节 超重和失重

第六章牛顿运动定律·超重和失重·教案

课程具体目标

（一）知识与技能

1、通过实验认识超重和失重现象；

2、理解牛顿运动定律，用牛顿运动定律研究超重和失重的原因；

3、能够利用超重和失重现象解释一些生活中的具体现象；

4、本节课的教学重点是让学生理解超重和失重的实质，教学难点是在超重和失重中有关对支持物的压力和对悬挂物拉力的计算。通过实例让学生分清“实重”和“视重”．从而建立超重和失重的概念．同时认识到物体的重力大小是不会随运动状态变化而变化的．

（二）过程与方法

采用演示实验、分组实验、合作探究、动画演示并实地感受的研究方法，让学生通过设计多种不同的实验方案，亲身体验、认识生活中的超重和失重现象。

（三）情感态度与价值观

1、渗透“学以致用”的思想，激发学生的学习热情和兴趣，开阔视野；

2、培养学生参与科技活动的热情和将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的超重和失重问题；

3、通过分组合作的探究性学习过程，锻炼学生主动与他人合作的精神，有将自己的见解与他人交流的愿望，敢于坚持正确观点，勇于修正错误，具有团队精神。

目标制定依据

通过三条牛顿运动定律的学习，学生已经具备了一定的运用牛顿运动定律分析解决问题的能力；三条牛顿运动定律并不是彼此孤立的，通过对超重和失重现象的探究和学习，可以加深学生对这三条定律的认识，进而提高了学生对以有知识的理解和分析解决问题的能力；

本节课复习了关于重力的知识，通过本节课的探究和学习，可以使学生区分清楚“重力”和“视重”这两个容易混淆的概念，从而进一步理解“重力”的本质。

学习形式：学生自主体验、实验探究与理论探究相结合，教师适时指导。

教具

演示教具：超重和失重演示装置、弹簧秤、打点计时器用重锤、细线、下面扎孔的可乐瓶、录像资料。

学生用具：弹簧秤、钩码（50克或100克24个；200克64个）、烧杯及水(毫升24个) 、铝块（每种24个）。学法指导

实验探究、现象分析、口诀记忆法。讲授法，实验法，讨论法。

主要教学过程：

（一）引入新课：观看《神州五、六号》发射及返回录相

提问：1神州号发射有何意义？

● 载人航天：一个国家综合国力日益强大的重要标志

● 空间产业：制造加工独领风骚

● 载人飞船：展示高精尖最新科技成果的“摇篮”

●从“两弹一星”到载人航天；日跃东方，叩启天穹。

(1).国家战略意义不容低估;

(2).占领世界高新技术前沿（载人航天工程涉及众多高新技术领域，包括近代力学、天文学、地球科学、航天医学、空间科学等学科，以及系统工程、自动控制、计算机、推进技术、通信、遥感、新能源、新材料、微电子、光电子等，这些领域的高新技术谁也不会卖给你，不是花钱就能够买到的。）；

(3).开发太空获取经济利益（太空的微重力、高洁净、全真空特殊环境，使它成为人类最理想的新兴材料和生物工业加工地。）；

(4).培养尖端科技和管理人才；

(5).“空间产业”带动相关产业发展（美国的整个“阿波罗”登月计划共获得了3000多项专利；美国宇航局专家曾测算，美国在载人航天上的每１美元投资都能收到９美元效益。）；

背景一：

１９６１年７月１６日，中共中央作出自力更生发展原子能的决定。

１９６４年１０月１６日的深秋时节，当中国第一颗原子弹爆炸成功；

１９７０年４月２４日。这一天，在西北大漠深处的酒泉卫星发射中心，中国成功地将自己的第一颗人造地球卫星送上了太空。“两弹一星”，使中华民族的凝聚力空前迸发。在第一颗原子弹试验的攻关会战中，先后有２６个部、委，２０个省、市、自治区，包括９００多家工厂、科研机构、大专院校参加，为原子弹的制造和试验研制出１０万多种专用仪器、设备和原材料。

１９８６年３月，发展载人航天被列入了著名的“８６３”高技术发展计划。“如果没有‘两弹一星’等诸多大科学工程的带动和牵引，就不会有今天的运载火箭商业发射服务，不会有核电站、卫星通信、航天遥感等产业的兴起，也不会有我国的计算机及其应用行业、微电子行业以及玻璃钢行业、特种冶金行业的发展。”中国载人航天工程有关负责人说。

２００３年１０月１６日６时２３分，苍茫的内蒙古草原敞开胸怀，深情地拥抱朝阳和朝阳中缓缓降落的中国第一位航天员。中国，成为世界上第三个将自己的航天员送入太空并成功返回的国家。绕地球14圈，每圈90分钟，经历21小时。飞船环绕地球运行14圈后，将飞行高度降到约80公里时，进入大气层，与大气层产生摩擦，外表变成一团火球，周围产生等离子体，形成电磁屏障。返回舱距地球约10公里后打开1000多平方米面积的大伞，随后返回舱缓缓下降，抛掉防热底盖，在接近地面1公里时，点燃反推火箭发动机，以不大于每秒35米的速度，在预定地区着陆。

３９年前的同一天，一朵从西北大漠深处腾空而起的蘑菇云，同样震惊了世界：中国第一颗原子弹爆炸成功。2航天员在火箭发射与返回舱返回中，航天员遇到的最大生理问题是什么？

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。对这些问题的研究是航天医学的重要课题。

背景二：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，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。

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。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。

真空

太空是一个高真空、超低温、强辐射的场所，这种环境对人体来说是致命的。人一旦暴露于其中，将面临失压、缺氧、低温和辐射损伤4大危险。如果人直接暴露于太空，由于没有氧气，人将立即窒息而死；没有了大气压，人会因内脏、器官的胀裂而立刻丧命；在太空零下269℃的超低温环境将会把人立刻冻死。所以，人必须乘坐专门设计的、与外界隔绝的载人航天器才能在太空中安全地生活、工作。如果要离开航天器进入开放的太空，就必须穿上特制的航天服。宇航员居留的返回舱和轨道舱以及舱外宇航服必须可靠地密封，维持规定的大气压力与适宜的温度。必须避免意外的泄漏，以免造成灾难性事故。前苏联“联盟11号”飞船返回前，返回舱在与轨道舱分离时，由于一个阀门漏气，舱内突然失压，3名宇航员窒息身亡。

时差

载人航天器一般是绕近地轨道飞行，绕地飞行一周大约90分钟，24小时内可有16个昼夜变化。宇航员长期习惯于地球上的昼夜周期，对这种短暂的昼夜变化很不习惯，可出现睡眠不好，易醒、易疲劳，工作效率降低等表现。

高温

在航天器返回地球阶段，宇航员将经受高热的考验——在飞船重返大气层时，高速飞行的返回舱与大气摩擦，会产生几千摄氏度的高温，尽管返回舱采用了高效防热材料，仍无法避免一定程度的温度上升。

思考：什么是超重和失重？

引入课题：超重与失重

（二）新课内容:

提示1：重力是如何产生的？大小取决于什么？实验室如何测量钩码的重力？

重力是由地球的吸引而产生的；其大小取决于物体的质量及相对于地球位置，重力公式G=mg；实验室常采用弹簧秤测量重力的大小。

实验探究一：每班分成24组进行实验探究。

探究内容：弹簧秤钩注钩码（100或50克）进行如下操作。

讨论：⑴.什么情况下弹簧秤示数等于物体真实重力？（a=0）

⑵.什么情况下弹簧秤示数大于物体真实重力？(a向上)

⑶.什么情况下弹簧秤示数小于物体真实重力？（a向下）

思考：弹簧秤测量力的原理是什么？

依据弹簧受到的拉力与伸长的长度成正比，它只测量挂钩处的拉力F2，如有图示。据牛顿第三定律必有F1= F2 但只有悬挂物体处于平衡状态才有F1=G

故F2=G才相等。

实验探究二：每班分成24组进行实验探究。

探究内容：用弹簧秤测量铝块的重力及在水中的视重。

（空气

中的浮力忽略） 讨论：⑴.铝块挂在弹簧秤下时受几个力的作用？

⑵.铝块挂在弹簧秤下浸入水中时受几个力的作用？

提示2：重力（实重）、视重的意思是什么？

视重：物体对弹簧秤的位力或对托盘秤的压力大小叫视重（G 视）。

重力：由于地球的吸引而产生的力，

近似等于地球给物体的万有引力。也泛指任何天体吸引其它物体的力。如月球重力、火星重力等。

实重：物体的实际重力的大小。

提示3：视重是否一定等于物体的重力？（学生思考） 演 示 一：拉压视力盘演示视重与重力的关系：

⑴静止 ⑵向上加速 ⑶向下加速等。

总结：当物体放在托盘秤上或挂 在弹簧秤下时，若装置处于平衡状态，则G 视= G 物，

而如果整个装置不是处于平衡状态，则G 视≠ G 物。

提示4：（拓展）一般物体有时用拉住，有时用支持物托住，此时物体对悬线的拉力或对支持物的压力与物体的重力关系如何？

可能相等，也可能不相等。 总 结：超重与失重

1.超重现象：当物体对悬线的拉力或对支持物的压力大于物体的重力的现象叫超重现象。 演 示 二：细线下悬挂重锤（2套）

操作：⑴缓慢上升和下降 ⑵突然向上加速 ⑶突然向下减速等。 实 验 探 究 三：用手托住重钩码（每人）

操作要求：⑴托住不动 ⑵突然向上加速 ⑶钩码一定高度释放，用另一手接住。 有何感受：变重的感觉。 思考：超重是如何引起的？

F 拉

G

超重分析：取加速上升或减速下降的物体为研究对象，受力如图。 据牛顿第二定律有：T-mg=ma 故拉力F=mg+ma=m(g+a)>mg

同理对于加速上升或减速下降的电梯中的物体为研究对象有： F N +mg=ma

故 F N =mg+ma=m(g+a)>mg

2．失重现象：当物体对悬线的拉力或对支持面的压力小于重力的现象叫失重现象。 实 验 探 究 四：用手托住重钩码（每人）

操作要求：⑴托住不动 ⑵突然向下加速 ⑶向上突然减速。 有何感受：变轻的感觉。 讨论：如何分析失重现象？

mg-T=ma 故 T=mg-ma=m(g-a)

失重时，若a=g 时，则T=0或F N =0，好象重力全部消失一样，这种情况叫完全失重。 演示三：矿泉水瓶中水的完全失重现象

操作要求：矿泉水瓶侧壁钻一小孔，从桌上边缘一定高度突然释放，观察水

是否有喷出。

结论：自由落体时，水对容器侧壁和底部都无压力，故浮力也消失。当完全

失重时，右图木块状态都有可能存在。

口诀：超上失下。（指加速度的方向）

理论联系实际：

1.在升降机里，一个小球系于弹簧下端，升降机静止时，弹簧伸长4cm,升降机运动过程中，发现弹簧伸长2cm时,升降机的运动情况可能是（）

A.以4.9m/s2的加速度加速上升；

B. 以4.9m/s2的加速度减速上升；

B.以4.9m/s2的加速度加速下降；

D. 以4.9m/s2的加速度减速下降。

分析过程：

解:当物体静止时，据平衡条件有:Kx1-mg=0----①

当物全运动时，设向上为正方向，据牛顿第二定律有：

Kx2-mg=ma--------②

联立①和②代入数据解得a=-4.9m/s2,负号表示加速度方向向下，而速度可能向上和向下，故选BC。

2.火箭发射过程中的航天员处于_________现象；而当返回舱在返回过程中，其中的航天员处于___________现象。（填：“超重”或“失重”）

（发射时速度向上，加速度向上，为超重；返回时速度向下，但是减速，故加速度还是向上，也为超重。）

3.站在自动电梯上的人随电梯向下做匀加速运动，下叙研究电梯上的人受力情况分析正确的是：（）

A.不受摩擦力的作用；

B.受到向左的摩擦力作用；

C.支持力小于重力，处于失重状态；

D.支持力大于重力，处于超重状态。

分析：由于加速度与受力方向都不同，故我们最好把加速度进行分解较快

看出物理情景。

4.宇航员在进入太空及返回时，为什么常采用仰卧式？

分析：当采用站立姿式时，心脏上方要用更大的压力才能把血压送到脑部，若供血不足就较易缺血；而下身血液由于超重收不回心脏易造成下身积血。而如果采用仰卧式，竖直方向的加速度主要由血管壁承担，可减轻心脏的负担，但由于全身血管五通八达，还是会造成对身体的影响。

5.某同学站在体重计上，当它下蹲过程中，全重计的示数如何变化？

分析：先加速后减速，因此示数先增大后减小。动画显示。

【教学反思】

其实，一节成功的探究式教学课，应该具备如下特点：1、以培养科学素养为目的；2、既重视结果，又重视知识的获得过程；3、重应用；4、重视全体参与；5、以学生为中心。教学是一门遗憾的“艺术”，无论你为40分钟的一节课付出几倍甚至于十几倍的时间、精力，课后，总有不尽如人意的地方。笔者就深切地认识到以下不足：（1）为顾及教学过程的完整性，教学过程中主观上有赶时间的倾向，从而导致在某些环节上提出问题后，没能留给全部学生充足的时间进行思考，学生自主探究活动的时间也不够充分。（2）受时间所限，“知识巩固”环节没能在课堂上当堂得到解决，而是以学生以完成探究报告的形式在课后延续。

现代教育学研究表明，掌握知识与发展智力相结合是一条规律性教学要求。因此，探究教学既要重过程又要重结果，过程与结果相结合，学生探究技能的发展要以所掌握的基本概念和原理为基础，才是对探究学习的正确理解。要上好一节探究课，有诸多因素要考虑，反思实践，下面仅从以下几个方面谈谈个人的认识和体会。

1、探究教学模式对教师的角色、作用要进行重新的定位。

教师在探究教学模式的实施中不可或缺，如果没有教师的精心设计、恰当引导，任何科学高效的探究教学模式都只是纸上谈兵。但是，在探究教学模式中，教师发挥作用的方式、教师角色发生了重要的变化，教师由台前回到了幕后，由知识的“灌输者”、教学管理的“统治者”变为学生学习的协助者、辅导者、教练。以另一种方式发挥其重要作用，这并没有降低教师工作的难度，相反，它对教师提出了更高的要求“运用直接经验或实验室为基础的经验的教学程序必须由教师精心设计，因为学生必须得到恰当的实验研究以及问题解决情景。换句话，教师必须对所研究的观念充分了解，并且选择能使学生以直接经验解决问题、建构概念的活动。”教师必须具备与探究内容有关的丰富知识、还要对整个教学过程精心设计，精心指点，对整个教学工作不断总结、反思，并给自己的角色、作用以正确的定位。

2、探究教学中的提问

笔者认为，提问是一种有助于学生进行探究学习的重要方法。恰到好处的提问，可以引起学生探究知识的欲望，激发学生去积极思维，使学生情绪处于最佳状态，有利于知识的掌握和能力的培养。探究教学中的教师提问应当具有程序性和提示性。教师在整个探究活动指导中，提问不能随意而为，显得杂乱无章，而应当事先经过精心设计，探究各阶段提供给学生的问题，应当是递进式的、有层次的、有节奏的、前后衔接、相互呼应和逐步深化的，这样才能促使学生紧紧围绕某个主题，逐步深入开展探究活动；教师所提的问题应对学生的探究活动能起指导或引导作用，给学生提出探究的大致方向或从哪个方向去着手探究。

2、探究时间的设计安排

探究教学与传统教学相比，需要充分发挥学生的主体性，因此其探究过程是开放性的。实践证明，相对于接受式学习，探究式开放性的教学形式最容易导致课堂结构的分散和学习效率的低下，比较费时，完整的探究更是如此。所以，在课堂上采用探究式学习会受到教学时间很大的限制，这就要求我们在实施探究式教学时，做好探究时间的分配。对探究时间进行精心地预估和设计就应成为探究教学设计的一项重要内容。

在实际设计过程中，我们要考虑的一个问题就是：我们应从哪几个方面来设计探究的时间，从而使探究时间分配更加合理，切合教学实际的需要。就探究教学来说，教学时间的遗失是影响教学成功与否的关键因素之一。在探究活动中，不要为了赶进度而在学生还没有进行足够的思考时草率得出结论。为了让学生充分体验探究的过程，应该安排足够的时间让各种想法、各种观点进行充分的交流和讨论。

设计探究的时间的策略：（1）把握探究活动的节奏。主要是指教师在设计探究教学时，要对具体的探究过程做到心中有数，做到能够比较精确预估每一个步骤所需要的时间，把握好整体时间的分配，使整个探究活动的节奏加快，转换自然，避免无为的时间遗失。要把握好探究活动的节奏，首先要对学生的探究知识准备情况进行充分的了解。对学生的了解可以帮助教师精确地预估时间的分配。第二要对探究活动所涉及的方面了然在胸，学生在每一步骤中可能做出的反应都要估计得到。第三，要对探究活动所需的材料、实验器材进行精心的设计和准备，使探究活动能按照预定的节奏进行下去。第四，要设计适当的教学条件，抓住时机对学生进行提醒和引导使学生能够顺利地从一个探究步骤转入到另一个探究步骤。

教学时间的遗失是指由于受外界干扰或对教学处理不当所造成的教学时间的浪费。在探究教学中，主要由以下因素导致探究时间的遗失：一是因偶发事件引起的教学中断。二是问题情景呈现时间过长。每一次探究活动都要对问题情境进行充分、清晰的展示。但展示时间过长，就会造成探究时间的遗失和浪费。三是探究环节的转换时机没能抓住造成探究时间的浪费。

从教学设计的角度来看，减少时间遗失的途径主要有：①精心设计问题的呈现方式，对这一过程要严格设计，使问题含有与学生原有知识相关的问题，引起探究兴趣和内在动力，争取以最精确、最明了、最简练的语言或方式来使学生对问题情境和探究要求有清晰的理解，。②精确设计，对学生所要面对的变量进行控制，既不能过少达不到探究的目的，也不能过多使学生不知所措，造成探究活动的推迟。③精心设计探究环境，尽量避免外界不利因素的干扰。此外，对探究过程中可能出现的问题有一定的预测和心理准备。

本节课大量采用学生活动来完成学习任务。通过教学所创设的探究情景，学生的活动和学习积极性十分高涨。通过学生的参与和感悟，体验与观察，经逻辑思维、归纳总结得到结论。听课的同行一致反映，本节课流畅、和谐，一气呵成，顺利地将教学任务完成，这种教学设计体现了学生为主体，教师为主导的的教学理念。学生说：“在课堂中体验到了物理学原来也可以在玩中掌握，只是这节课过得太快，意犹未尽。”从所提交的探究报告和作业情况可以看出，全班同学都真正投入到了教学活动中。后来的题型变式教学中笔者真切感触到，由于学生真正地理解了超、失重的本质，许多疑难题学生们在经过一定的思考后都能迎刃而解。