玩轉自制教具 培養核心素養
——以超重與失重的片段教學為例

四川 寇大武

根據教學的需要，本文充分利用自制教具，引領學生深度體驗物理探究過程，實現對學生科學思維、科學探究、科學態度與責任的培養。

1 引言

《超重與失重》是普通高中物理教材《必修一》中第四章運動和力的關系第6節的內容，是運用牛頓運動定律解決問題的重要實例。學生在學習完牛頓運動定律的應用之后，具備了一定的分析動力學問題的能力。教師講授法可以達到一定的效果，學生對于超重和失重會有一定的理解，但學生思維誤區在于：向上運動的物體處于超重狀態，向下運動的物體處于失重狀態。為此，本文設計了效果良好的自制教具，通過直觀、形象地實驗，引導學生深度體驗實驗過程、觀察實驗現象、處理實驗圖像、分析實驗原理，培養學生的科學思維、科學探究、科學態度與責任等物理學科核心素養。

2 器材準備

彈簧測力計(末端已經固定重物)、力學傳感器、數據采集器、筆記本電腦、數據線、重物1個(50 g)，交流電源(220 V)、變壓器(220 V轉24 V)、電磁鐵(吸力80 kg)、透明玻璃缸、空心塑料小球1個(下端固定鐵塊)、臺秤(指針式)、體重秤(指針式)。

3 教學片段

3.1 實踐體驗，感受超重現象

彈簧測力計(末端已經固定重物)教具：將彈簧測力計豎直放置，如圖1所示。

圖1 彈簧測力計與重物

【實踐體驗】請同學們小組完成實驗

3.1.1 讓彈簧測力計和重物處于靜止狀態，記下彈簧測力計的讀數

3.1.2 讓彈簧測力計和重物緩慢勻速上升，記下彈簧測力計的讀數

3.1.3 讓彈簧測力計和重物豎直向上做加速直線運動觀察彈簧測力計的讀數，讀數會變大還是變小？

【實驗現象】當彈簧測力計和重物豎直向上做加速直線運動時，彈簧測力計的讀數會變大(激發學生興趣，思考現象產生的原因)

【實驗分析】為什么重物加速上升時，彈簧測力計的讀數會變大？請同學們運用牛頓第二定律來解釋。

【設計意圖】通過分組實驗，讓學生切身感受向上加速的物體受到的拉力會大于重力，形成基本物理概念，超重是指物體對支持物(或懸掛物)的作用力大于物體所受重力的現象。激發學生學習興趣，大膽地運用牛頓第二定律解決問題，有利于培養學生運用所學知識解決實際生活問題的能力。

【任務驅動】是不是向上運動的物體就一定會處于超重狀態呢？是否有同學注意觀察彈簧測力計在即將停止時的實驗現象？

3.2 建立模型，分析超重現象的原因

力學傳感器教具：將力學傳感器與數據采集器連接如圖2所示，數據采集器與電腦連接，將重物固定在力學傳感器下端，運行相關軟件。

圖2 力學傳感器

【實驗探究】請一名同學將力學傳感器和重物一起由靜止向上加速再靜止，通過軟件描繪圖像如圖3所示，其他同學觀察實驗圖像，思考其中產生的原因。

圖3 向上加速實驗圖像

【實驗現象】力學傳感器和重物一起由靜止向上加速再靜止過程中，力學傳感器測量出拉力先要大于重力，而后又要小于重力。

【任務驅動】為什么向上加速再靜止會出現拉力先要大于重力，而后又要小于重力。

【建立模型】對重物受力分析如圖4所示。

圖4 重物受力分析

【分析推理】由牛頓第二定律可得F-mg=ma，當F>mg時，物體處于超重狀態，加速度a向上。物體向上運動，初速度為0，加速度a向上，則物體向上加速運動；當即將停止運動時，物體處于減速階段，速度v仍向上，但加速度a向下，由牛頓第二定律可得mg-F=ma，則F

【建構知識】物體處于超重狀態還是失重狀態的決定因素不是物體的運動方向，而是物體的加速度方向，當物體具有向上的加速度時處于超重狀態，物體具有向下的加速度時處于失重狀態。

【設計意圖】通過實驗探究，引導學生運用牛頓第二運動定律解決問題；通過建立模型，從受力分析的角度解決了超重與失重概念的難點。有助于培養學生的科學探究能力和科學思維能力。

任務二次驅動(學生獨立完成)：力學傳感器和重物一起由靜止向下加速，大膽猜想會出現什么樣的圖像，并通過實驗驗證。

【實驗現象】力學傳感器和重物一起由靜止向下加速再靜止過程中，力學傳感器測量出拉力先小于重力，而后又大于重力如圖5所示。

圖5 向下加速實驗圖像

分析推理(學生獨立完成)：物體向下運動，初速度v0向下，加速度a向下，則物體向下加速運動；由牛頓第二定律可得mg-F=ma，則Fmg，物體處于超重狀態。

【設計意圖】讓學生再次體驗猜想、驗證、分析、推理的過程，運用前面所學的知識，完成對未知現象的探究，有助于培養學生的科學思維、科學探究能力。

任務三次驅動(學生獨立完成)：思考拉動重物在豎直方向的運動情況和我們坐升降電梯是否存在關聯？

【設計意圖】理論聯系實踐，培養學生建模能力。

3.3 聯系實際 學以致用

體重秤(指針式)：將體重秤平放在講臺上，通過投影儀將指針投影在大屏幕中如圖6所示。

圖6 體重秤儀表盤

【實驗探究】請一名同學站在體重秤上，做下蹲動作，其他同學觀察實驗現象。

【實驗現象】體重秤讀數先變小后變大。

【學以致用】引導學生分析現象，明確同學下蹲過程屬于先向下加速后向下減速運動，加速度先向下后向上，故先失重后超重。

【拓展思維】為了進一步加深學生對于超重與失重的理解，在空心塑料小球下端固定一鐵塊，將電磁鐵置于裝滿水的容器外底部，通電以后，電磁鐵產生強磁，將空心塑料小球吸附在容器底部；通過斷開電源，電磁鐵失去磁性，空心塑料小球在浮力的作用下，加速上浮。

【筆者設計題目】如圖7所示，兩個充滿氣的空心塑料小球在繩子的作用下靜止在水中，整個裝置放在水平放置的臺秤上。現剪斷繩子，讓氣球上浮，請思考，空心塑料小球在上浮的過程中臺秤的讀數如何變化？

圖7 水中氣球

【學生誤區】學生普遍認為，空心塑料小球原來處于靜止狀態，不超重也不失重；當釋放空心塑料小球以后，由于水的浮力大于空心塑料小球的重力，空心塑料小球將會有一個向上的加速度，處于超重狀態，故臺秤的示數應該變大。

【能力升華】理論探究其原因在于：①空心塑料小球加速上升，處于超重狀態，F-mg=ma(m為空心塑料小球的質量，a為空心塑料小球的加速度)；而此時有等體積的水在加速下降，處于失重狀態，Mg-F1=Ma(M為水的質量，a為水的加速度)；兩者加速度大小相等，水的質量大，Ma>ma。②整體重心下降，具有向下的加速度，為失重狀態，故臺秤讀數變小。

【設計意圖】通過學以致用，培養學生物理源于生活，而又高于生活的物理科學態度。

4 結語

《普通高中物理課程標準》要求高中物理教學要以立德樹人為根本，進一步提高學生的核心素養為目標，為學生的終生發展奠定基礎，最終促進人類社會的發展。高中教學中，應該在義務教育的基礎上，進一步培養學生的物質觀、相互作用觀、能量觀。筆者認為實驗探究的方式，陪同學生經歷科學探究的過程、體會科學探究的方法、養成科學探究的思維、培養學生的分析問題能力、提高解決問題的能力是重要的。

課堂實驗的目的在于創設情景，尋找學生的實際發展水平，通過教師的引導，讓學生達到潛在發展水平的過程。