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4.6超重和失重教学设计
一、核心素养目标
1.物理观念
（1）通过实验探究和情境分析，准确理解超重、失重和完全失重的定义，明确“视重”与“实重”的区别，建立“加速度方向决定超重失重状态”的核心观念。
（2）掌握超重和失重的力学本质：实重（重力）不变，视重变化由物体的加速度方向决定，能结合牛顿第二定律推导视重与加速度的定量关系。
能运用超重和失重规律解释生活及科技中的相关现象（如电梯运行、航天员太空失重），将物理规律与实际情境结合，深化对“力与运动”关系的理解。
2.科学思维
（1）经历“观察现象→提出猜想→实验验证→归纳规律→应用规律”的思维过程，培养从现象到本质的推理能力，突破“超重就是重力变大，失重就是重力变小”的思维误区。
通过对电梯、台秤等模型的受力分析，运用牛顿第二定律推导视重公式，培养严谨的科学论证能力，能清晰区分“实重不变”与“视重变化”的逻辑关系。
掌握“通过加速度方向判断超重失重状态”的方法，能对复杂情境（如竖直上抛、斜抛运动）中的超重失重现象进行判断，提升情境分析与模型建构能力。
3.科学探究
（1）参与“探究电梯运行中的超重失重现象”实验，利用弹簧测力计悬挂重物模拟电梯运动，自主记录不同运动状态下弹簧测力计的示数，分析数据得出结论。
在“完全失重模拟”实验中，通过自由下落的手机拍摄水瓶漏水现象，观察“失重时水不流出”的现象，培养实验设计与现象分析能力。
小组合作设计“验证超重失重与加速度方向关系”的实验方案，交流实验思路与结果，培养合作探究与表达交流能力。
4.科学态度与社会责任
（1）通过了解超重失重在航天航空（如航天员训练、空间站生活）中的应用，认识物理规律对科技进步的推动作用，增强科技自信与民族自豪感。
结合超重失重对人体的影响（如电梯启动时的不适感），树立安全意识，理解工程设计中“减轻超重失重影响”的必要性，认识物理知识与生活安全的联系。
在实验探究中培养实事求是的科学态度，尊重实验数据，避免主观臆断，体会“现象与本质可能存在差异”的科学认知特点。
二、教学重难点
1.教学重点
（1）超重和失重的定义：明确超重（视重大于实重）、失重（视重小于实重）的概念，区分视重与实重的不同。
（2）超重失重的条件：掌握“加速度向上→超重，加速度向下→失重，加速度向下且a=g→完全失重”的核心规律，理解加速度方向是判断的关键。
（3）力学本质与定量关系：运用牛顿第二定律推导视重公式（F_N=m(g±a)），明确实重不变，视重变化由加速度引起。
2.教学难点
（1）超重失重与速度方向的无关性：突破“上升就是超重，下降就是失重”的错误认知，理解判断依据是加速度方向而非速度方向。
（2）完全失重的理解：明确完全失重时视重为零，但重力依然存在，能解释完全失重下的特殊现象（如液体不流动、天平失效）。
（3）复杂运动中的超重失重判断：在竖直上抛、斜抛、圆周运动（初步接触）等情境中，能准确分析加速度方向，判断超重失重状态。
（4）视重公式的推导与应用：结合牛顿第二定律，在不同情境（如电梯、台秤、斜面）中正确推导视重表达式，解决定量计算问题。
三、教学环节
（一）情境导入：生活现象引发认知冲突
1.展示三则生活情境：①情境1：电梯启动上升时，人感觉“变重”，站在台秤上示数变大；电梯减速上升时，人感觉“变轻”，台秤示数变小；②情境2：航天员在空间站中漂浮，水杯中的水不会流出；③情境3：蹦极运动中，人下落过程中感觉“轻飘飘”的，接近最低点时又感觉“被拽紧”。
2.提出问题链：“电梯中的‘变重’‘变轻’是人的体重真的变化了吗？”“航天员在太空是没有重力了吗？”“蹦极时的‘轻重感’与什么因素有关？”
3.学生讨论后，教师引导：“这些现象都与‘超重’和‘失重’有关，今天我们就来探究这些现象的本质，揭开超重和失重的神秘面纱。”引出课题。
设计意图：通过贴近生活的情境激发兴趣，制造“感觉与事实”的认知冲突，为理解“视重与实重的区别”铺垫基础。
（二）实验探究：超重失重的规律总结
1.实验准备：明确核心概念与实验器材
（1）核心概念辨析：①实重：物体实际受到的重力，G=mg，由物体质量和重力加速度决定，不随运动状态变化；②视重：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力），大小等于支持物对物体的支持力（或悬挂物对物体的拉力），由弹簧测力计或台秤示数反映，随运动状态变化。
（2）实验器材：弹簧测力计、钩码（质量已知）、手机（拍摄实验过程）、台秤、电梯（或模拟电梯的升降装置）。
2.探究实验一：竖直方向运动中的超重现象
（1）实验操作：①将钩码挂在弹簧测力计下，静止时记录示数F （等于实重G=mg）；②手托弹簧测力计向上加速运动，观察弹簧测力计示数变化；③手托弹簧测力计向上减速运动，观察示数变化；④重复多次，记录不同运动状态下的示数。
（2）实验现象：①静止时，F=F ；②向上加速时，F>F ；③向上减速时，F（3）学生结论：物体向上加速时，视重大于实重；向上减速时，视重小于实重。
3.探究实验二：竖直方向运动中的失重现象
（1）实验操作：①弹簧测力计悬挂钩码静止，记录F ；②手托弹簧测力计向下加速运动，观察示数；③手托弹簧测力计向下减速运动，观察示数；④将弹簧测力计与钩码一起自由下落，观察示数。
（2）实验现象：①向下加速时，FF ；③自由下落时，F=0。
（3）学生结论：物体向下加速时，视重小于实重；向下减速时，视重大于实重；自由下落时，视重为零。
4.规律归纳：加速度方向的核心作用
（1）教师引导学生分析实验数据，聚焦“加速度方向”与“视重变化”的关系：
运动状态 速度方向 加速度方向 视重与实重关系 状态名称
向上加速 向上 向上 F>G 超重
向上减速 向上 向下 F向下加速 向下 向下 F向下减速 向下 向上 F>G 超重
自由下落 向下 向下（a=g） F=0 完全失重
（2）核心规律总结：①超重：加速度方向向上（无论速度向上还是向下），视重大于实重；②失重：加速度方向向下（无论速度向上还是向下），视重小于实重；③完全失重：加速度方向向下且a=g，视重为零。
（3）误区纠正：“超重失重与速度方向无关，只与加速度方向有关”，否定“上升即超重，下降即失重”的错误认知。
（三）规律深化：力学本质与定量推导
1.超重状态的定量推导（以电梯为例）
（1）情境：人站在电梯内的台秤上，电梯向上加速运动，加速度大小为a，人的质量为m。
（2）受力分析：人受重力G=mg（竖直向下），台秤的支持力F_N（竖直向上，即视重的反作用力，F_N=F_视）。
（3）牛顿第二定律：加速度向上，取向上为正方向，F合=F_N-G=ma→F_N=mg+ma=m(g+a)。
（4）结论：超重时，视重F_视=m(g+a)，大于实重mg，差值为ma。
2.失重状态的定量推导
（1）情境：电梯向下加速运动，加速度大小为a，人的质量为m。
（2）受力分析：重力G=mg（向下），支持力F_N（向上）。
（3）牛顿第二定律：加速度向下，取向下为正方向，F合=G-F_N=ma→F_N=mg-ma=m(g-a)。
（4）结论：失重时，视重F_视=m(g-a)，小于实重mg，差值为ma。
3.完全失重状态的推导
（1）情境：物体自由下落，加速度a=g，方向向下。
（2）推导：F_N=m(g-a)=m(g-g)=0→视重为零。
（3）关键强调：完全失重时视重为零，但重力依然存在（正是重力提供了加速度），因此物体的实重不变。
4.小组任务：多角度验证规律
（1）任务1：推导“电梯向上减速”和“向下减速”时的视重公式，分析其超重或失重状态。
（2）任务2：用弹簧测力计悬挂钩码，使其以加速度a向上运动，测量弹簧测力计示数，与公式F_视=m(g+a)对比，验证定量关系。
（3）成果展示：各小组派代表展示推导过程和实验数据，教师点评纠正。
（四）难点突破：复杂情境中的超重失重判断
1.竖直上抛运动中的超重失重
（1）情境分析：将物体竖直上抛，忽略空气阻力，物体上升和下落过程中仅受重力，加速度a=g，方向始终竖直向下。
（2）状态判断：上升过程中，速度向上，加速度向下→失重；下落过程中，速度向下，加速度向下→失重；整个过程（除抛出瞬间）均处于完全失重状态。
（3）实验验证：将手机装入透明塑料袋，竖直上抛，同时拍摄塑料袋内的水滴，观察到水滴始终与手机相对静止，不会下落，证明完全失重。
2.斜抛运动中的超重失重
（1）情境分析：物体斜抛出去后，忽略空气阻力，仅受重力，加速度a=g，方向竖直向下。
（2）状态判断：无论物体在上升阶段还是下落阶段，加速度方向始终竖直向下→整个运动过程均处于完全失重状态。
（3）结论：判断超重失重的关键是“加速度的竖直分量方向”，只要加速度有竖直向上的分量，就会超重；有竖直向下的分量，就会失重。
3.圆周运动中的超重失重（初步接触）
（1）情境：游乐园的“跳楼机”在圆周轨道最低点和最高点的运动。
（2）分析：①最低点：向心力向上，加速度向上→超重；②最高点：向心力向下，加速度向下→失重（若速度足够大，加速度a=g，可出现完全失重）。
4.易错点辨析
（1）误区1：“超重时物体的重力变大”。纠正：重力G=mg，质量m和重力加速度g不变，重力不变，变化的是视重。
（2）误区2：“完全失重就是不受重力”。纠正：完全失重时重力依然存在，重力是产生加速度的原因。
（3）误区3：“水平方向运动的物体不会超重失重”。纠正：若物体在水平方向运动时，有竖直方向的加速度分量（如斜面上运动、水平加速时的汽车俯仰），依然会发生超重失重。
（五）实际应用：超重失重的科技与生活价值
1.航天航空领域的应用
（1）航天员的超重训练：航天员在离心机中做高速圆周运动，向心加速度向上，产生超重效果（可达3-5g），模拟火箭发射时的超重环境，增强身体耐受能力。
（2）空间站的完全失重环境：①生活影响：航天员漂浮，需用特制餐具（如吸管杯）进食，睡觉需固定在睡袋中；②科学应用：利用完全失重环境制造高纯度晶体、进行生物实验（避免重力对实验的干扰）。
2.生活与工程领域的应用
（1）电梯设计：电梯的承重系统需考虑超重时的额外压力，确保安全；电梯内的扶手设计，帮助人在超重失重时保持平衡。
（2）体重测量：测量体重时需保持静止，避免因加速（如踮脚、下蹲）导致的视重变化，确保测量准确。
（3）蹦极与过山车：利用失重带来的“漂浮感”和超重带来的“压迫感”设计游乐项目，提升体验感；同时需根据超重失重规律设计安全装置。
3.自然现象中的超重失重
（1）地震中的失重感：地震时地面突然向下加速，人会因失重而“漂浮”，随后地面反弹向上加速，人会因超重而被“压”向地面，造成伤害。
（2）瀑布水流：水流下落过程中处于失重状态，因此瀑布的水流会呈现分散的状态。
四、核心知识归纳：构建超重失重知识体系
1.核心概念辨析
概念 定义 决定因素 特点
实重 物体实际受到的重力 质量m和重力加速度g 恒定不变，与运动状态无关
视重 物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力） 实重和加速度方向 随运动状态变化，由弹簧测力计/台秤示数反映
2.超重、失重、完全失重对比
状态 条件（加速度a） 视重公式 视重与实重关系 典型例子
超重 a方向向上（a>0） F_视=m(g+a) F_视>G 电梯向上加速、向下减速
失重 a方向向下（a>0，a≠g） F_视=m(g-a) F_视完全失重 a方向向下且a=g F_视=0 F_视=03.核心规律与方法
（1）判断口诀：“上超下失，全失a等g”（加速度向上→超重，向下→失重，a=g→完全失重）。
（2）推导方法：以加速度方向为正方向，对物体进行受力分析，运用牛顿第二定律F合=ma推导视重公式。
（3）关键提醒：①实重不变，视重变化；②与速度方向无关，仅由加速度方向决定；③完全失重时重力依然存在。
4.应用技巧
（1）分析步骤：①确定研究对象；②受力分析（重力、支持力/拉力）；③判断加速度方向；④根据方向判断超重失重状态；⑤必要时用牛顿第二定律定量计算。
（2）复杂情境处理：关注加速度的竖直分量，只要有竖直向上的分量就超重，竖直向下的分量就失重，水平分量不影响超重失重状态。
五、课堂练习
（一）基础巩固题
1.关于超重和失重，下列说法正确的是（）
A.超重时物体的重力变大，失重时物体的重力变小
B.超重时物体的视重大于实重，失重时视重小于实重
C.物体向上运动时一定超重，向下运动时一定失重
D.完全失重时物体不受重力，因此视重为零
2.一个质量为50kg的人站在台秤上，在下列情况下，台秤的示数分别为多少（g=10m/s ）：
（1）电梯静止；（2）电梯以2m/s 的加速度向上加速；（3）电梯以1m/s 的加速度向下加速；（4）电梯自由下落。
3.下列运动过程中，物体处于超重状态的是（）
A.竖直上抛的物体上升过程中
B.电梯减速下降过程中
C.自由下落的雨滴
D.水平抛出的物体在空中运动时
4.关于完全失重，下列说法正确的是（）
A.完全失重时，弹簧测力计无法测量力的大小
B.完全失重时，天平无法测量物体的质量
C.完全失重时，物体的惯性消失
D.完全失重时，物体的速度一定为零
（二）能力提升题
5.质量为2kg的物体挂在弹簧测力计下，当物体以3m/s 的加速度竖直向上运动时，弹簧测力计的示数为（）（g=10m/s ）
A.20N
B.26N
C.14N
D.6N
6.电梯内有一个质量为m的物体，用细线悬挂在天花板上，当电梯以加速度a竖直向下减速运动时，细线的拉力大小为（）
A.m(g-a)
B.m(g+a)
C.mg
D.m(a-g)
7.蹦极爱好者从高处跳下，在弹性绳绷紧前的下落过程中，下列说法正确的是（）
A.爱好者处于超重状态
B.爱好者的视重逐渐变大
C.爱好者的加速度逐渐变大
D.爱好者处于完全失重状态
8.一个质量为10kg的物体放在倾角为30°的斜面上，当斜面以5m/s 的加速度竖直向上加速运动时，物体对斜面的压力大小为多少（g=10m/s ，sin30°=0.5，cos30°≈0.866）？此时物体处于超重还是失重状态？
（三）拓展创新题
9.航天员在空间站中进行“天宫课堂”，演示了“水球实验”：将水注入特制容器中，形成球形水球，航天员在水球中形成倒立的像。请结合完全失重知识，解释水球呈球形的原因，并说明在完全失重环境下，还有哪些常见现象会发生变化（举3例）。
10.设计一个实验，模拟完全失重环境，并验证“完全失重时视重为零但重力依然存在”。要求：（1）写出实验器材；（2）简述实验步骤；（3）说明如何观察“视重为零”和“重力存在”的现象；（4）分析实验中可能的误差来源及改进措施。
六、练习答案与解析
（一）基础巩固题答案与解析
1.答案：B
解析：A错误，超重失重时重力（实重）不变，变化的是视重；B正确，超重视重大于实重，失重视重小于实重；C错误，判断依据是加速度方向，不是速度方向；D错误，完全失重时重力依然存在，视重为零。
2.答案：（1）500N；（2）600N；（3）450N；（4）0N。
解析：（1）静止时，F_视=mg=50×10=500N；（2）向上加速，F_视=m(g+a)=50×(10+2)=600N；（3）向下加速，F_视=m(g-a)=50×(10-1)=450N；（4）自由下落，a=g，F_视=0N。
3.答案：B
解析：A错误，竖直上抛物体上升过程中a=g向下，失重；B正确，电梯减速下降，加速度向上，超重；C错误，自由下落a=g向下，完全失重；D错误，水平抛出物体a=g向下，完全失重。
4.答案：B
解析：A错误，弹簧测力计测量的是弹力，完全失重时仍能测量（如拉弹簧测力计，示数仍存在）；B正确，天平利用重力工作，完全失重时物体对托盘压力为零，无法测量质量；C错误，惯性由质量决定，与失重无关；D错误，完全失重时速度可不为零（如自由下落的物体）。
（二）能力提升题答案与解析
5.答案：B
解析：向上加速，超重，F_视=m(g+a)=2×(10+3)=26N，B正确。
6.答案：B
解析：电梯向下减速，加速度向上，超重，拉力F=m(g+a)，B正确。推导：受力分析，拉力F向上，重力mg向下，a向上，F-mg=ma→F=m(g+a)。
7.答案：D
解析：弹性绳绷紧前，爱好者仅受重力，a=g向下，处于完全失重状态，D正确；A错误，完全失重不是超重；B错误，完全失重时视重为零，不变；C错误，加速度为g，不变。
8.答案：物体对斜面的压力大小为129.9N，处于超重状态。
解析：（1）受力分析：物体受重力mg=100N（向下），斜面支持力F_N（垂直斜面向上）；（2）加速度向上，a=5m/s ，取向上为正方向；（3）将力沿竖直和水平方向分解（或沿斜面和垂直斜面），垂直斜面方向：F_N'-mgcos30°=macos30°（因加速度向上，垂直斜面的分量为acos30°）；（4）F_N'=m(g+a)cos30°=10×(10+5)×0.866≈129.9N；（5）因加速度向上，物体处于超重状态，物体对斜面的压力等于F_N'，为129.9N。
（三）拓展创新题答案与解析
9.答案：（1）水球呈球形的原因：完全失重时，水的重力仅提供加速度，水内部的分子引力（表面张力）成为主导力，表面张力使液体表面积最小化，而球形是相同体积下表面积最小的形状，因此水呈球形。（2）常见现象变化：①蜡烛燃烧时火焰呈球形（无重力时热空气不会上升，火焰均匀分布）；②装满水的杯子倒置，水不会流出；③沉淀实验无法进行（固体颗粒不受重力，不会下沉）；④天平无法测量质量；⑤弹簧测力计测量物体重力时示数为零。
10.答案：（1）实验器材：弹簧测力计、钩码、透明塑料盒、手机（拍摄）、细线。（2）实验步骤：①将钩码挂在弹簧测力计下，静止时记录示数F =mg，证明重力存在；②用细线将弹簧测力计和钩码悬挂在塑料盒内，盖紧盒盖；③将塑料盒从一定高度自由释放，同时用手机拍摄盒内弹簧测力计的示数变化；④重复释放多次，观察拍摄结果。（3）现象观察：①静止时F =mg，说明重力存在；②自由下落时，弹簧测力计示数为零，说明视重为零；③落地前瞬间，弹簧测力计示数突然变大，说明重力始终存在（落地时重力作用使钩码有向下的运动趋势）。（4）误差来源：①释放时塑料盒可能倾斜，导致钩码受到摩擦力；②空气阻力影响，使加速度小于g，视重不为零；③弹簧测力计的示数变化过快，拍摄不清晰。改进措施：①在塑料盒内固定弹簧测力计，避免倾斜；②选择质量较大的钩码，减小空气阻力影响；③使用高速相机拍摄，清晰记录示数变化。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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