核心素养导向下的高中物理实验教学探究——以“超重、失重”为例

胡春燕

(江苏省常州市武进区洛阳高级中学 213100)

“核心素养”近年来已逐步深入广大教育工作者的心中.所谓核心素养，是指学生在学习过程中，逐步形成的适应自身终身发展和社会发展所需的关键能力和必备品格.本文以“超重、失重”为例，用自制教具创设情景，培养学生探究问题、解决问题的意识；通过反复设问和分组探究实验帮助学生建立物理概念及物理观念；利用真实的实验数据，引导学生分析问题，探究物理规律，同时培养学生实事求是科学态度.

一、创实验情境，激发学生探究兴趣

超重失重是生活中的常见现象，但是学生一般只有生活体验，而无相应的物理知识和物理概念，如何将生活体验转换为学生的探究兴趣？我设计了一个演示实验，让两位男同学拉交叠在一起的物理书，同学们都跃跃欲试，也有个别学生在小学初中做过相应的实验，直接喊着拉不开的.然后我在抛起物理书的过程中轻轻一扯，书就拉开了.这个演示实验，让很多学生惊诧不已，很好的调动了学生的探究欲.

二、体验性小组实验，构建物理观念

本节课的难点之一在于区别：视重、实重、超重、失重这四个易混淆的物理概念.为了让同学们能实际的感受到视重不一定等于实重，我进行了如下设计：

师：你能利用手边的实验器材测出钩码的重力吗?怎么测？

生：钩码静止悬挂于弹簧测力计上，此时重力就等于测力计的读数.

师：弹簧测力计显示的是谁受到的拉力？

生：显示的是钩码拉测力计的力

师：为什么钩码拉测力计的力等于钩码的重力？

生：二力平衡及作用力与反作用力的原因.

师：我们把钩码实际受到的重力称为“实重”，在这里弹簧测力计显示的力即眼能直观看到的示数称为“视重”，视重——研究对象对悬挂物的拉力或对支撑物的压力.

师：视重一定等于实重吗？你能让视重大于实重，或视重小于实重吗？

生：小组实验，总结现象

加速上升时视重大于实重；减速上升时视重小于实重

加速下降时视重小于实重；减速下升时视重大于实重

师：视重大于实重的现象我们称为超重.超重：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象.视重小于实重的现象则称为失重.失重：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象.

体验性小实验，放手让学生自己做一做，实际操作一下.可以帮助学生更为直观的建立物理概念，物理模型的建立也更为深刻.

三、依据事实，探索物理规律

超重失重在实际生活中有很多例子，例如：过山车、蹦极、跳楼机、升降式电梯……为了让学生能根据实际生活中的例子，归纳出发生超重失重的规律，教师利用以下器材，模拟跳楼机.如图1.活动1：表盘式弹簧测力计由细线绕过两个定滑轮与另一重物相连，静止时读出钩码对测力计的拉力，当挂上较重的重物时，待测物加速上升最后减速上升(模拟跳楼机上升过程)，读出测力计示数的变化.当挂上较轻的重物时，待测物加速下降最后减速下降(模拟跳楼机下降过程)，读出对应测力计示数的变化.分析数据，将实际情况填入表格.

序号视重与重力的关系(填“>”或“<”)运动方向速度变化情况(填“增加”或“减小”)加速度方向结论1N G2N G3N G4N G

引导学生分析：超重失重与运动方向有关吗？超重失重时，物体所受重力变化吗？是什么力发生了变化？根据表格，你能归纳出超重、失重的共同点吗？

生：超重失重与运动方向无关.物体本身重力也没有发生改变，是物体对悬挂物的拉力或对支撑物的压力发生了改变.超重时，F>G，a向上；失重时，F

活动2：利用力传感器，观察超重失重时力随时间变化图.教师如图2所示，手握住传感器，先加速下降停止后，再加速上升，再停止，得到如图3所示图像.

由F-t图，让学生分析哪段时间内是失重，哪段时间内是超重，进一步加深超重失重的理解.

超重失重是牛顿第二定律的一个应用，物理思维能力的培养不能仅仅得到现象和结论，更需要应用已有知识来分析、推广.

师：为什么超重时，F>G；而失重时，F

生：向下加速时(失重)：mg-F=ma,F=mg-ma

向下减速时(超重)：F-mg=ma,F=mg+ma>G

向上加速时(超重)：F-mg=ma,F=mg+ma>G

向上减速时(失重)：mg-F=ma,F=mg-ma

所以超重时，F>G；而失重时，F

师：当a=g时，F=0，此时物体处于完全失重状态.在自然界有完全失重的现象吗？

生：自由落体运动

师：我们一起来验证下自由落体运动是不是完全失重状态，即悬挂物对测力计的拉力是否为0？

学生按图4、图5进行实验，纸篓中固定了一个弹簧测力计和手机，挂上重物，自由释放纸篓，同时手机实施拍摄，利用希沃软件同屏展示到一体机上.慢放视频，可以清楚的看到测力计的示数变为了0.图6所示.

四、理论应用实际，感悟物理核心素养.

师：我们知道在太空，宇航员都处于漂浮状态，是完全失重，水滴在太空中会呈现球状.在地球上，我们也可以让水滴处于球状，怎么做？

生：自由落体运动

师：除了自由落体运动，竖直上抛同样可以实现.

活动3：学生将装满水的气球(如图7)，上抛及下落过程，观察气球的形状与静止时的区别.

师：利用完全失重状态下，水滴成标准的球形，我们就可以利用这一原理来制作非常标准的球状滚珠.

活动1、活动2、活动3的实验设计过程符合物理核心素养科学探究中的“模型构建、科学推理、科学论证”的过程，这不仅培养了学生的动手能力，观察、分析能力，锻炼了学生适应自身终身发展的关键能力还培养了学生利用物理服务于社会的责任意识.物理源自于生活，也服务于生活.应用物理知识解决实际问题，是发展学生社会责任感的重要手段.

师：展示图8装置

师：你有办法不用手推动滑块而使弹簧缩短吗？

学生上讲台展示自己的方法：释放木板或上抛木板

师：为什么？

生：失重时，滑块对木板的压力减小，使得滑块与木板间的最大静摩擦力减小，弹簧就收缩到了一起.

师：现在你能解释为什么在开始时两位同学废了很大劲没能把书拉开，而老师却丝毫不废劲的把书拉开了吗？老师是怎么做到的？你还能有其他办法把书拉开吗？

生：讨论，分析

师：蹦床是一项大家喜欢的运动，它不像蹦极那么刺激，适合大众玩乐，但是也能带给我们明显的超、失重感受.通过今天的学习你觉得在蹦床运动中，哪些过程中能感受到超重、那些过程又能体会到失重？

蹦床的超、失重过程较复杂，通过学生分析蹦床运动，不仅巩固了超重、失重的知识，更拓展了学生的物理思维.

要把“学习知识”的教学转化为“核心素养的”物理教学，显然离不开物理实验教学的设计，核心素养的培养不是一日之功，重视物理实验教学，有助于发展学生的物理核心素养.本节课在建立“视重、实重、超重、失重”概念中培养了学生的物理观念，在实验探究、理论分析过程中培养了学生的物理思维能力和科学探究的思想，在理论应用于实践中培养了学生的科学态度和责任意识.