核心素养导向下的高中物理教学设计——以“超重和失重”为例

文| 马小峰

【教学背景】

以超重和失重为例，通过实验设计和数据分析，帮助学生建立质量、引力和支持力之间的关系，同时锻炼其科学思维和团队协作能力。在核心素养的指导下，强调学生的实践能力、创新能力以及将理论知识应用于实际问题的能力。本次教学旨在激发学生对物理学科的兴趣，培养他们的实验设计和数据分析能力，使其能够更好地理解和掌握物理学的基本原理，并将这些知识运用于实际生活和学习中。

【教学目标】

学生将深入理解超重和失重的物理概念，具体包括对物体在不同引力场中质量的变化原因的理解，以及如何应用牛顿第二定律解释这些现象。通过教学，学生将巩固对质量、引力和支持力的关系的基础，能够灵活运用相关知识解决实际问题。

学生将通过实验设计、数据收集和分析，培养实践操作能力、科学思维和问题解决能力。实验操作包括使用弹簧测力计等工具，学生运用数据分析软件处理实验数据，绘制关系图，从而加深对实验结果的理解，并得出科学的结论。

培养学生对科学的浓厚兴趣和热爱，通过实验设计和操作体验科学的探索过程，激发学生对物理学科的独特兴趣。此外，通过小组合作和讨论，培养学生的团队协作和沟通能力，让他们在共同努力中体验学科合作的乐趣。

【教学内容】

理论知识：

①超重和失重的概念。②质量、重力和支持力之间的关系。③牛顿第二定律的应用。

实验内容：

①利用弹簧测力计测定物体的质量。②在不同引力场中测定物体的质量，分析超重和失重的原因。③通过实验验证牛顿第二定律。

【教学过程】

一、导入

为了激发学生学科兴趣，教师可通过展示太空探测器在不同引力场中运动的视频或图片，引起学生对超重和失重的好奇心。

将班级学生分成4 个大组，每个大组派出1 个代表，轮番在事先准备好的体重计上向下蹲，提问：在下蹲的过程中你们有什么发现？

学生回答：体重计的示数先变小，后变大，再变小，当人静止后，保持某一数值不变。

进一步提问：为什么体重计测量的“体重”一直发生变化，难道真的是我们的重量在变化吗？造成这种现象的原因又是什么呢？——引入新课“超重和失重”。随后，教师提出问题：在地球和其他星球上，物体的质量是否相同？引导学生思考这个问题的答案，并引入今天的学习主题。

二、理论知识讲解与讨论

（一）超重和失重的概念

超重和失重是在不同引力场中物体质量表现出来的两种现象。首先，我们来介绍超重的概念。当物体在较大质量的天体表面，如地球上运动时，由于受到的引力增大，物体的真实质量似乎比其在地球表面的质量要大。这种现象被称为超重。

以一个简单的例子说明，假设一个质量为m 的物体在地球表面的重力加速度为g，那么它在地球上受到的引力F可由公式F=mg 计算。如果将同一物体移到另一天体，该天体的引力加速度为g′，那么在这个天体上，物体的超重力F′可用公式F′=mg′计算。可以看出，超重与物体所处的引力场有关。

接下来，我们转向失重的概念。失重发生在物体离开引力场或受到的引力减小的情况下。例如，太空中的宇航员就会经历失重状态。在失重状态下，物体的质量看似减小，因为受到的引力较小，所以物体相对于引力场的效应降低。

（二）牛顿第二定律的应用

牛顿第二定律是描述物体运动状态变化的定律，可以用数学公式表示为F=ma，其中F为物体所受的净外力，m为物体的质量，a为物体的加速度。在超重和失重的情境下，我们可以应用这一定律解释物体在不同引力场中的行为。（PPT 呈现牛顿第二定律的内容）

考虑一个物体在垂直方向上的运动，受到重力mg 和支持力N的作用。在超重情况下，支持力小于重力，即N＜mg，物体净受力方向向下，导致物体产生向下的加速度。反之，在失重情况下，由于引力减小，支持力大于重力，即N＞mg，物体净受力方向向上，导致物体产生向上的加速度。

通过应用牛顿第二定律的数学表达式，我们可以用具体的数值计算来说明超重和失重的原理。

三、实验设计与操作

实验的设计和操作是巩固理论知识、培养实践能力的重要环节。通过本实验，学生将有机会亲身体验超重和失重的现象，同时锻炼实验设计、数据收集和分析的能力。

（一）实验目的和步骤介绍

首先，教师明确实验目的：验证在不同引力场中物体的质量是否发生变化，进而应用牛顿第二定律解释超重和失重现象。随后，简要介绍实验步骤，确保学生对整个实验过程有清晰的认识。

（二）小组合作设计实验

学生分成小组，每组成员共同设计实验方案。在实验设计中，学生需要考虑以下几个关键点：

1.如何测定物体的质量？可以使用弹簧测力计等工具。

2.在不同引力场中，如何测定物体的质量？需要设计在地球表面和另一个天体上（模拟失重状态）的两组实验。

3.如何确保实验的准确性和可重复性？注意实验环境、仪器校准等方面的细节。

（三）实验操作与数据收集

学生按照小组设计的方案进行实验操作。首先，在地球表面测定物体的质量，记录相关数据。接着，通过模拟失重状态，测定物体在不同引力场中的质量，同样记录实验数据。这一过程需要小组成员协作，确保实验操作的流畅性和数据的准确性。

（四）数据分析和讨论

学生在小组内讨论实验结果，分析超重和失重的原因，并试图用数学公式解释实验数据。这一环节旨在培养学生对实验结果的深入理解和科学推理的能力。教师可以通过提问引导学生思考，促进他们能透彻理解物理学概念。

通过这一实验设计与操作的过程，学生将亲身体验理论知识在实际中的应用，培养实验设计和数据分析的能力。同时，小组合作让学生在团队中分享思考和解决问题的经验，提高团队协作和沟通水平。在实验操作中，教师要及时给予指导和反馈，确保学生能够全面理解超重和失重的概念，并能运用牛顿第二定律解释这些现象。

四、总结与归纳

（一）超重和失重的总结

超重和失重是物体在不同引力场中表现出的两种现象。在地球表面，物体由于受到引力的作用，真实质量看似变得更大，这被称为超重。相反，在失重状态下，物体离开引力场或受到的引力减小，导致物体质量看似减小，即失重状态。这两种现象是牛顿力学中质量、引力和支持力相互作用的结果。

（二）实验数据分析与归纳

通过实验数据的分析，我们可以观察到在不同引力场中物体的质量变化。在地球表面，物体受到较大的引力，支持力小于重力，导致物体产生向下的加速度，即超重状态。相反，在失重状态下，支持力大于重力，导致物体产生向上的加速度。这与牛顿第二定律的应用一致。

我们可以用公式F=ma来描述物体在不同引力场中的运动。在超重状态下，F为物体的净受力，m为物体的质量，a为加速度。而在失重状态下，F的方向相反，即F=-ma，表示物体产生向上的加速度。

（三）思考与拓展

1.如何在太空探测器设计中应用这些概念？

2.超重和失重对人类在外太空的活动有哪些影响？

五、拓展延伸与作业

（一）撰写科普文章

要求学生以超重和失重为主题，撰写一篇科普文章。文章应包括对超重和失重的概念解释、实验过程的描述、实验结果的分析和对科学背景的深入思考。这项作业能培养学生科学文献撰写的能力，提高其对所学知识的整合水平。

（二）设计物体质量变化模型

要求学生设计一个模型，模拟在不同引力场中物体的质量变化，可以使用各种材料，包括图纸、弹簧、小球等。学生需要解释模型的设计原理，并演示模型在不同引力场中的运动状态。

【教学评价】

见文末表1。

【总结】

本教学设计以核心素养导向下的高中物理为基础，以超重和失重为例展开，通过理论知识讲解、实验设计与操作、总结与归纳、拓展延伸与作业等环节，全面培养学生的实践、思维和团队协作能力。学生通过实验深入理解超重和失重现象，同时应用牛顿第二定律解释实验结果。拓展延伸任务设计富有特色，如太空探测器设计、失重状态下的影响等，旨在引导学生将所学知识应用于实际情境，并通过科普文章、物体质量变化模型设计等任务培养其创新思维。评价体系兼顾知识水平、实验能力、团队协作、创新思维等多个方面，旨在全面了解学生的学科水平及核心素养发展情况。通过教学，学生不仅能深刻理解物理学科，更能培养其实践操作、团队协作和创新思维等综合素养，为未来学科学习和职业发展打下坚实的基础。