資源簡介

4.6《 超重和失重》課時教案
學科 物理 年級冊別 高一上冊 共1課時
教材 人教版高中物理必修第一冊 授課類型 新授課 第1課時
教材分析
教材分析
本節內容位于人教版高中物理必修第一冊第四章“牛頓運動定律”的第六節，是牛頓第二定律在豎直方向變速運動中的具體應用。教材通過電梯中體重計示數變化的生活實例，引出超重與失重的概念，幫助學生理解加速度方向與支持力、重力之間的關系。本節內容承上啟下，既鞏固了牛頓第二定律的應用，又為后續學習航天、圓周運動等知識打下基礎，具有較強的實踐性和思維拓展性。
學情分析
高一學生已掌握牛頓第二定律的基本公式和受力分析方法，具備一定的邏輯推理能力，但對抽象物理情境的建模能力仍較弱。學生在生活中有過乘坐電梯時“變輕”或“變重”的體驗，但缺乏科學解釋。部分學生易將“失重”誤解為“沒有重力”，需通過實驗和情境引導糾正。此外，學生正處于形象思維向抽象思維過渡階段，需借助直觀實驗和生活情境激發興趣，促進概念建構。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解超重和失重的物理本質是支持力與重力的關系變化，而非重力本身改變。
2. 掌握在豎直方向加速運動中，利用牛頓第二定律分析物體受力與加速度方向的關系。
科學思維
1. 能通過受力分析和運動狀態判斷，建立“加速度方向決定超失重狀態”的邏輯鏈條。
2. 運用等效思想，將電梯、火箭等復雜情境簡化為豎直方向的變速運動模型進行分析。
科學探究
1. 設計并完成“彈簧秤懸掛鉤碼加速升降”的實驗，觀察讀數變化，歸納超失重規律。
2. 通過小組合作分析電梯運動各階段的受力情況，提升實驗觀察能力與數據歸納能力。
科學態度與責任
1. 認識超失重現象在航天、游樂設施等現實場景中的應用，增強物理與生活的聯系意識。
2. 培養嚴謹求實的科學態度，尊重實驗數據，敢于質疑生活中的錯誤認知。
教學重點、難點
重點
1. 超重和失重的定義及其產生條件。
2. 利用牛頓第二定律分析豎直方向變速運動中的支持力與重力關系。
難點
1. 理解“失重≠無重力”，澄清學生對“失重”的常見誤解。
2. 準確判斷加速度方向與超失重狀態的對應關系，并進行定量計算。
教學方法與準備
教學方法
情境探究法、實驗探究法、合作學習法、講授法
教具準備
彈簧秤、鉤碼、滑輪裝置、手機加速度傳感器APP、PPT課件、電梯運動視頻
教學環節 教師活動 學生活動
情境導入
【5分鐘】 一、電梯里的“變輕”之謎 （一）、播放視頻，引發認知沖突。
教師播放一段電梯啟動上升和減速停止時，體重秤示數變化的慢動作視頻。畫面中，當電梯剛啟動上升時，體重秤讀數明顯大于人的實際體重；當電梯即將停在高層時，讀數又突然變小，仿佛人“變輕”了。教師暫停視頻，提出問題：“為什么我們在電梯里會有‘變重’或‘變輕’的感覺？難道我們的質量真的改變了？”
引導語：愛因斯坦曾說：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要。”今天我們就從這個生活中的小現象出發，揭開“超重”與“失重”的物理面紗。
（二）、創設主線任務：成為“電梯物理偵探”。
教師宣布本節課的學習任務：“今天，我們每個人都是‘電梯物理偵探’，任務是破解電梯中體重變化的真相。我們將通過實驗觀察、受力分析、邏輯推理，最終提交一份《超失重現象調查報告》。”
過渡語：偵探破案需要線索，我們的第一個線索來自一個簡單的實驗——彈簧秤的“秘密讀數”。 1. 觀看視頻，描述現象。
2. 思考并提出疑問。
3. 明確學習任務。
4. 激發探究興趣。
評價任務 現象描述：☆☆☆
問題提出：☆☆☆
任務理解：☆☆☆
設計意圖 通過真實生活情境引發認知沖突，激發學習興趣；以“偵探任務”為主線貫穿課堂，增強學習的代入感與挑戰性；引用愛因斯坦名言，提升科學探究的使命感。
實驗探究
【12分鐘】 一、彈簧秤的“秘密讀數”實驗 （一）、演示實驗：觀察加速過程中的讀數變化。
教師手持彈簧秤，下方懸掛一個500g的鉤碼，保持靜止，讀出示數為4.9N（即mg）。然后緩慢向上加速提起彈簧秤，學生觀察到讀數瞬間增大至約6N；當勻速上升時，讀數恢復為4.9N；當向上減速（即向下加速）時，讀數減小至約3N。教師重復實驗，并邀請學生上臺親自操作，感受手部拉力的變化。
提問：“讀數變大說明什么？變小又說明什么？這與物體的運動狀態有何關系？”
（二）、分組實驗：定量記錄加速度與讀數關系。
將學生分為四人小組，每組配備彈簧秤、鉤碼、滑輪裝置和手機加速度傳感器APP。任務：將鉤碼通過滑輪連接至彈簧秤，利用手拉或小車牽引實現豎直方向的加速運動。使用手機APP記錄加速度方向與大小，同時記錄彈簧秤讀數。要求每組至少完成“向上加速、向上減速、向下加速、向下減速”四種情況的數據記錄。
教師巡視指導，提醒學生注意：讀數穩定后再記錄；加速度方向判斷要準確；思考讀數變化與加速度方向的關系。
（三）、數據匯總與初步歸納。
教師在黑板上繪制表格，邀請各小組代表匯報實驗數據。匯總后引導學生觀察：
1. 當加速度方向向上時（向上加速或向下減速），彈簧秤讀數F > mg；
2. 當加速度方向向下時（向下加速或向上減速），彈簧秤讀數F < mg；
3. 當a=0（靜止或勻速），F = mg。
教師總結：“讀數大于重力，我們稱之為‘超重’；讀數小于重力，稱之為‘失重’。關鍵在于加速度的方向！” 1. 觀察演示實驗，記錄現象。
2. 分組動手實驗，收集數據。
3. 分析數據，尋找規律。
4. 匯報結果，參與討論。
評價任務 操作規范：☆☆☆
數據準確：☆☆☆
規律發現：☆☆☆
設計意圖 通過演示與分組實驗結合，讓學生親歷“觀察—操作—記錄—分析”的完整探究過程；利用手機傳感器增強實驗的科技感與精確性；通過數據匯總引導學生從現象上升到規律，培養歸納能力；明確“加速度方向”是判斷超失重的核心。
理論建構
【15分鐘】 一、受力分析：揭開超失重的本質 （一）、建立模型：電梯中的人體受力分析。
教師在PPT上展示電梯中一個人站在體重秤上的示意圖。引導學生畫出受力圖：人受到重力G=mg向下，支持力N（即體重秤讀數）向上。根據牛頓第二定律，列出豎直方向的方程：N - mg = ma。
重點講解：當加速度a向上時，N = mg + ma > mg，支持力大于重力，表現為“超重”；當a向下時，N = mg - ma < mg，支持力小于重力，表現為“失重”；當a=g向下時，N=0，完全失重。
強調：“重力mg始終存在，改變的是支持力N！失重不是沒有重力，而是物體對支持物的壓力減小甚至為零。”
（二）、辨析誤區：澄清“失重=無重力”的錯誤觀念。
教師提問：“宇航員在空間站中漂浮，是失重嗎？他們還受地球引力嗎？”
引導學生思考：空間站繞地球做圓周運動，萬有引力提供向心力，a=g，處于完全失重狀態。但重力依然存在，大小約為地面的90%。播放國際空間站中水滴懸浮、筆漂浮的視頻佐證。
過渡語：正如霍金所說：“我們都是在引力的束縛中跳舞。”失重不是擺脫了重力，而是進入了自由落體的“舞蹈狀態”。
二、應用拓展：破解“電梯偵探”任務 （一）、分析電梯全程運動中的超失重狀態。
教師展示電梯從一樓啟動到十樓停止的v-t圖像，分為四個階段：
1. 啟動加速上升（a↑）→ 超重
2. 勻速上升（a=0）→ 正常
3. 減速上升（a↓）→ 失重
4. 停止（a=0）→ 正常
要求學生分組討論并填寫《電梯運動狀態調查表》，包括每個階段的加速度方向、支持力與重力關系、是否超/失重。
（二）、挑戰升級：火箭發射與返回艙著陸。
教師展示火箭發射升空和返回艙再入大氣層減速著陸的視頻。提問：“發射時宇航員是超重還是失重？返回時呢？”
引導學生分析：發射時加速度極大向上，處于嚴重超重狀態，需特殊座椅保護；返回時雖向下運動，但因空氣阻力減速，加速度向上，仍為超重。只有在軌道運行時才失重。
總結：“運動方向不決定超失重，加速度方向才是關鍵！” 1. 繪制受力圖，列方程。
2. 理解本質，糾正誤區。
3. 分析電梯各階段狀態。
4. 解釋火箭發射現象。
評價任務 受力分析：☆☆☆
概念理解：☆☆☆
應用遷移：☆☆☆
設計意圖 通過受力分析與牛頓第二定律的數學推導，從定量角度揭示超失重的本質；結合航天實例破除常見誤解，提升科學素養；以“電梯偵探”任務貫穿，增強知識的連貫性與應用性；引用霍金名言，賦予物理以人文溫度。
鞏固練習
【8分鐘】 一、典型例題：電梯中的體重變化 （一）、題目呈現：
一個質量為60kg的人站在電梯內的體重秤上。當電梯以2m/s 的加速度加速上升時，體重秤的讀數是多少？當電梯以2m/s 的加速度減速下降時，讀數又是多少？（取g=10m/s ）
（二）、引導分析：
教師引導學生分步解題：
1. 明確研究對象：人。
2. 受力分析：重力mg=600N向下，支持力N向上。
3. 判斷加速度方向：加速上升，a=2m/s ↑。
4. 列牛頓第二定律方程：N - mg = ma → N = m(g + a) = 60×(10+2)=720N。
5. 解釋：讀數720N，即“視重”為72kg，處于超重狀態。
第二問：減速下降，即速度向下，加速度向上（因減速），故a=2m/s ↑，同樣N = m(g + a) = 720N。
強調：“減速下降”等效于“加速上升”，加速度方向相同，超失重狀態相同。
二、變式訓練：自由落體中的讀數 （一）、問題提出：
若將彈簧秤和鉤碼一起自由下落，讀數會是多少？
引導學生分析：整體加速度a=g向下，對鉤碼：mg - N = mg → N=0。故讀數為零，完全失重。
播放“水桶自由下落時水不流出”的實驗視頻，增強直觀感受。 1. 審題并畫受力圖。
2. 列式計算，得出結果。
3. 理解“減速下降”的加速度方向。
4. 預測自由落體讀數。
評價任務 公式應用：☆☆☆
方向判斷：☆☆☆
結果正確：☆☆☆
設計意圖 通過典型例題規范解題步驟，強化“加速度方向決定超失重”的核心思想；變式訓練加深對完全失重的理解；結合視頻增強感性認識，實現從理論到現象的閉環。
課堂總結
【5分鐘】 一、結構化總結：知識網絡構建 （一）、回顧主線任務完成情況。
教師引導學生回顧“電梯物理偵探”任務：我們通過實驗發現了彈簧秤讀數隨加速度變化的規律；通過受力分析揭示了超失重的本質是支持力與重力的關系變化；通過電梯和火箭案例驗證了理論的普適性。
板書核心公式：N - mg = ma → 超重（a↑）、失重（a↓）、完全失重（a=g↓）。
（二）、升華式總結：從電梯到星辰
“今天我們從電梯的方寸之間，窺見了宇宙的法則。超重與失重，不只是體重秤上的數字跳動，更是人類邁向太空的物理基石。當火箭沖破大氣，宇航員承受著數倍重力的超重；當飛船環繞地球，他們又在失重中書寫著人類的浪漫。正如卡爾·薩根所說：‘我們是由星辰所鑄，如今眺望群星。’而理解這些現象的鑰匙，就藏在牛頓第二定律的簡潔公式中。愿你們保持這份對世界的好奇，用物理的眼光，讀懂生活，仰望星空。” 1. 回顧實驗與理論。
2. 理解公式內涵。
3. 感受物理魅力。
4. 樹立科學理想。
評價任務 知識梳理：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
未來展望：☆☆☆
設計意圖 通過結構化回顧強化知識體系；引用卡爾·薩根名言進行情感升華，將物理學習與人類探索宇宙的宏大敘事相連，激發學生的科學情懷與責任感，實現“知識—能力—情感”的三維統一。
作業設計
一、基礎鞏固
1. 下列情況中，人處于超重狀態的是（ ）
A. 電梯勻速上升
B. 電梯加速下降
C. 電梯減速下降
D. 電梯減速上升
2. 一個質量為50kg的人站在電梯中，當電梯以3m/s 的加速度加速上升時，求體重秤的讀數。（g取10m/s ）
二、能力提升
3. 如圖所示，一個木箱放在電梯地板上，木箱內用細線懸掛一個質量為m的小球。當電梯以加速度a豎直向上運動時，分析：
（1）木箱對地板的壓力與木箱重力的關系；
（2）細線對小球的拉力與小球重力的關系。
（3）若電梯自由下落，兩者的讀數分別為多少？
三、實踐探究
4. 利用手機加速度傳感器APP，在乘坐電梯時記錄全程的加速度變化，并結合本節知識，撰寫一份《我的電梯超失重觀察報告》，包括數據記錄、狀態分析與結論。
【答案解析】
一、基礎鞏固
1. C（減速下降時加速度向上，超重）
2. 解：N = m(g + a) = 50×(10+3) = 650N
二、能力提升
3. （1）壓力 > 重力（超重）
（2）拉力 > 重力（超重）
（3）壓力 = 0，拉力 = 0（完全失重）
板書設計
4.6 超重和失重
【主線任務】電梯物理偵探——破解體重之謎
一、現象觀察
電梯啟動↑ → 變重（超重）
電梯停止↑ → 變輕（失重）
二、實驗探究
F > mg → 超重 → a↑
F < mg → 失重 → a↓
F = 0 → 完全失重 → a = g↓
三、理論分析（牛頓第二定律）
N - mg = ma
↑ ↑ ↑
支持力 重力 加速度
四、本質澄清
失重 ≠ 無重力
重力始終存在！
五、應用拓展
火箭發射：超重
空間站運行：失重
自由落體：完全失重
教學反思
成功之處
1. 以“電梯物理偵探”為主線任務貫穿全課，情境真實，任務驅動，學生參與度高，探究氛圍濃厚。
2. 實驗設計巧妙結合傳統彈簧秤與現代手機傳感器，兼顧直觀性與科學性，有效突破了“加速度方向判斷”這一難點。
3. 引用霍金、卡爾·薩根等科學家名言進行情感升華，將物理知識與人類探索宇宙的壯麗圖景相連，提升了課堂的深度與溫度。
不足之處
1. 分組實驗時間略顯緊張，部分小組未能完成全部四種運動狀態的數據采集，下次可提前錄制演示視頻作為補充。
2. 對“減速下降”等易混淆情境的辨析還需加強，個別學生仍會誤判加速度方向，可在作業中增加專項訓練。
3. 板書設計可進一步優化，增加v-t圖像與超失重狀態的對應關系圖示，幫助學生建立更直觀的時空聯系。

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