高中物理高阶思维教学

杨俊义

高阶思维是学生在高中阶段需要形成的关键素养，也是学生适应外界环境，通过已知概念进行创新推演达到认知平衡，进而解决实际问题的重要思维能力。物理学科作为解释事物内在规律与性质的学科，从现实世界中寻找问题、探究问题，借助物理概念，将复杂的现象模型化，最终通过数理演算得出结论。在物理现象的解决中，通过教师的课堂引领、对问题情景的分析、建立新旧知识的联系、综合不同维度的信息，进而形成创新性认知，逐步帮助学生养成良好的学习习惯，帮助学生建立高阶思维能力。

一、教学内容与目标

本节课主要通过2个实验引出重力的两种测量方法，并以此为基础，通过具体事例帮助学生理解“超重和失重”的概念、本质及规律，进而掌握“超重和失重”的内涵及实际应用。

教学目标：

1.通过2个实验带领学生理解重力的测量过程。

2.带领学生理解“超重和失重”的概念、推导、具体应用。

3.理解平衡、失重、超重之间的关系。

4.运用受力分析法解释本节课的各个运动状态。

二、教学过程

（一）新课导入

课程伊始，教师可以为学生播放一个小视频：某学生站在体重计上向下深蹲的过程中，体重秤上的示数先变小再变大后又变小，该生静止后，体重秤上的数值保持不变，如图1所示。

教师：同学们知道发生这种现象的原因是什么吗？请大家带着这个疑问与老师一起学习“超重和失重”的内容。

（二）新课教学

1.重力的测量

在地球表面的周围，物体由于地球的吸引力而受到重力的作用。通常来说测量重力的方法主要有以下两种：

第一种方法，即实验1：

步骤1：测量重物处于自由落体运动状态下的加速度g。

步骤2：通过天平测量物体的质量，如图2所示，根据“G=mg”得出物体的质量。

步骤3：通过牛顿第二定律F=ma求出最后答案。

第二种方法，即实验2：

我们借助力的平衡条件对重力进行测量，首先把待测物体悬挂在测力计上，使之静止，在此情况下，物体所受的重力和测力计支持力的大小或者对物体的拉力相等，进而通过测力计的示数呈现出重力的大小。

重力是用力的平衡状态来测量的。首先，将被测物体悬挂在测力机上使其处于静止状态。在这种情况下，物体的重力等于测力机对物体的支撑力或拉力的大小，然后用测力机的数值表示重力的大小。

这种情况的受力分析如图3所示。当用弹簧力的大小来测量物体的重力时，两力之间必须平衡。根据以前学过的平衡状态和牛顿第三定律可以得出弹簧的示数与物体的重力相等。该种方法是测量重力常见的手段，也是未来测量物体重力的主要方法。

2.超重和失重

体重计的示数被称为视重，该概念主要体现了人对体重的压力。所谓的视重，即物体对悬挂物的拉力或对支持物的压力。

由牛顿第二定律F=ma可知，人对体重计的压力和体重秤对人的支持力大小相等，两力的方向恰好相反。图4展现了某学生在下蹲过程中的受力分析，该生受到重力G=mg和體重秤对人的支持力，在重力和支持力的共同作用下，该生在深蹲的过程中，分别包含了加速、减速和静止三个阶段。

对这种情况的证明过程如下：

假设竖直向下方向为坐标轴正方向，学生加速向下深蹲的过程，如图4所示，根据牛顿第二定律F=ma得出：

Mg-=ma =m（g-a）

此时，体重计示数大小所代表的视重小于人体自身所受的重力。

那何为超重和失重？

（1）超重：物体在表面上的压力或悬挂方向上的拉力（视重）大于物体所受重力的现象。

（2）失重：物体在表面上的压力或悬挂方向上的拉力（视重）小于物体所受重力的现象。

（3）完全失重：完全失重是一种没有重量的特殊情况。当升力在加速度a=g垂直加速时，物体对支撑的压力或悬挂方向上的阻力（表观重量为0）。

关于具体的应用，请各小组同学根据课前的预习情况进行讨论，每组派出一个代表进行展示。

在课程开始前，我们对该生在体重秤上下蹲过程中示数的变化进行了探讨，现对上述情况进行一定的拓展。学生站在体重秤上，先下蹲后站起来的过程中，刻度指示器随时间的变化（如图5所示）。请根据刚才学到的知识尝试分析传感器“提升”过程中超重和失重的情况。

（三）归纳总结

教师与学生共同观看视频“为什么太空中会发生超重现象”，之后总结本节课的知识点。

我们纵观超重、失重与完全失重的定义得出过程可以发现，三个概念是由视重的概念得出的，从而进一步得出视重与重力的关系：

1.当视重大于重力时，此时加速度向上，为超重状态。

2.当视重小于重力时，此时加速度向下，为失重状态。

3.当视重等于重力时，为静止或者匀速状态。

4.当视重为0时，此时a=g，为完全失重状态。

下面，我们结合前面学过的平衡知识点，对超重和失重进行系统总结，如表1。

（四）随堂练习

假设小明在操场上最多可举起质量为80 kg的哑铃，当小明在以加速度10 m每二次方秒上升的直升机舱内，请问最多可托举质量为多少kg的哑铃，本题中请参考g为10 m/s2。

解：

设小明的最大举力为F，由题意得：

F=mg=800N ①

设小明在直升机中最多能举起质量为m′kg的重物：

F-m′g=m′a ②

联立①式、②式可得：

m′=40 kg

答：最多能举起质量为40 kg的重物。

三、教学反思

本次“超重和失重”教学案例并非让学生掌握套路化、特定的、具体的思维模式，而是通过现实案例帮助学生形成抽象化、一般化、图示化的理解，这样才能确保学生在面对复杂多样的知识点变式问题时能灵活面对，更好地适应新高考下物理学科灵活性的应试要求。

本次单元教学过程中，我主要运用了以下办法。

（一）情景案例法

如果直接向学生讲述“超重和失重”的概念及推导，这个过程显然是抽象的。因此，在教学过程中，我先让学生通过查找相关案例预习本课，然后在课中展示视频、设置题目，课后让学生思考例题，从而给学生列举了“超重和失重”的案例。

我通过一个核心案例贯穿课堂始终，人站在力学传感器上完成下蹲动作，观察计算机中采集的图像，分析整个运动过程。高阶思维的培养离不开实际的运用，因此为学生提供系列案例，可帮助学生理解受力分析和物理背后公式的推导。

（二）课上实验法

在本节课开始之前，对于重力的测量，我设计了两个动手实验，也对应重力测量的两个方法。通过学生小组合作、小组讨论，加大了学生的探究深度，提高了学生对这节课的兴趣，也提升了学生小组合作的能力，实现了多角度的培养。

（三）受力分析法

受力分析法作为物理学科运动学的重要方法，在本节课的讲述中我也全面向学生贯穿了受力分析的思想，通过抽查提问，一对一问答的方法深化学生对于物理学受力分析思想的应用，与此同时，在本节课的最后留下的思考题也是受力分析作业。可见，在日常教学中，教师应全面加强学生的物理基本功，从基础做起教会学生物理模型的思考方法。

（作者单位：陕西省安康市汉滨区汉滨高级中学）

编辑：赵文静