高中物理一年级必修一冲刺重高培优教学设计：重力核心素养深度解析与突破

高中物理一年级必修一冲刺重高培优教学设计：重力核心素养深度解析与突破

一、课标定位与素养目标解析

【非常明确】本章节内容隶属于《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修1模块主题二“相互作用与运动定律”。课标对本节课的具体要求是：认识重力，理解重力的方向及重心概念；通过实验，了解胡克定律；知道滑动摩擦、静摩擦及滑动摩擦力方向，会用动摩擦因数计算滑动摩擦力。作为力学开篇的核心概念，重力不仅是构建整个力学大厦的基石，更是培养学生“物理观念”和“科学思维”的关键载体。本节课的素养目标设定如下：

1、物理观念：深入理解重力不是地球对物体引力的简单代称，而是其一个分力，建立正确的相互作用观念。能够清晰阐述重力的大小（G=mg）、方向（竖直向下）及其与质量、地理位置的关系。深刻理解重心概念所蕴含的“等效替代”思想，并能将其应用于解决实际问题。

2、科学思维：【非常重要】通过分析重力与万有引力的关系，培养基于事实进行逻辑推理和批判性思维的能力。通过重心概念的引入过程，体会“等效替代”这一高度抽象和概括的科学思维方法在物理学研究中的核心价值。能运用极限思维分析重心与物体的位置关系。

3、科学探究：【热点】经历“探究重力大小与质量关系”的实验过程，掌握用图像法处理数据（绘制G-m图像）并分析函数关系（正比例函数）的科学方法。通过“用悬挂法确定薄板重心”的学生分组实验，经历设计实验、动手操作、寻找规律、评估交流的全过程，提升实验探究能力。

4、科学态度与责任：通过了解重心在生活、生产及高科技领域（如赛车设计低重心提升稳定性、建筑塔吊平衡配重、跳高运动中“背越式”过杆的重心变化）中的应用，感受物理学与人类社会进步的紧密联系，激发探索自然和解决实际问题的兴趣与责任感。

二、教材分析与学情研判

（一）教材地位与内容架构

本节课选自人教版高中物理必修第一册第三章第1节《重力与弹力》的第一课时。本章是高中力学由“运动学”向“动力学”过渡的关键环节，而重力作为学生最早接触但又理解最浅的力，其教学效果直接影响后续对弹力、摩擦力乃至整个受力分析的学习。教材从力的概念回顾入手，然后聚焦于重力，深入探讨其产生原因、三要素，特别是对“重心”这一难点进行了重点剖析，最后通过重心概念的建立，巧妙渗透了“等效替代”的科学思维，为后续学习合力、质点等概念奠定了方法论基础。

（二）学情具体分析

1、知识储备：学生在初中阶段已初步接触重力，知道其公式G=mg，了解其方向“竖直向下”。【基础】但他们对重力的认识往往停留在表面，普遍存在“重力就是地球引力”的误解，对“竖直向下”的理解也常与“垂直向下”混淆，对重心概念更是模糊不清，认为重心一定在物体上。

2、能力水平：高一学生已具备一定的观察、实验和逻辑思维能力，但抽象思维尚在发展之中。他们习惯于定性分析，对于“等效替代”这种高度抽象的物理思想还比较陌生，将物理原理与生产生活实践相结合的跨学科视野亟待拓宽。

3、心理特征：学生对力学世界充满好奇，但面对抽象概念时易产生畏难情绪。因此，教学设计需充分利用实验和生动实例，创设直观、有趣的情境，帮助学生完成从感性认识到理性认识的飞跃。

三、教学重难点与突破策略

（一）教学重点

1、重力的大小和方向。【高频考点】熟练掌握G=mg的计算，明确g的物理意义（重力加速度，与地理位置有关）。

2、重心的概念及意义。【重要】理解重心是重力的等效作用点，并能确定质量分布均匀、形状规则物体的重心位置。

（二）教学难点

1、重力与万有引力的区别。【难点】纠正“重力就是地球吸引力”的错误前概念。

2、对重心概念的理解及不规则物体重心的确定方法。【难点】尤其是理解重心不一定在物体上这一事实，并能熟练运用悬挂法。

（三）核心突破策略

采用“认知冲突—实验探究—模型建构—迁移应用”的教学策略。通过“苹果落地”与“地球自转”的冲突引发对重力本质的思考；通过“水平仪与重锤线”的对比实验，直观辨析“竖直向下”与“垂直向下”；通过“挑战：寻找不规则薄板的重心”这一任务驱动，让学生在亲手实验中感悟等效替代思想，从而实现难点的突破。

四、教学实施过程：深度建构与思维进阶

（一）情境导入：创设认知冲突，激发深度思维

师：播放一组对比鲜明的视频。视频1：熟透的苹果竖直落向地面。视频2：中国空间站中，航天员王亚平抛出的物体在舱内沿直线“漂浮”运动。

师：请大家思考，为什么苹果会“落”向地面，而空间站里的物体却不“落”向舱底？难道地球的“吸引力”在太空中消失了吗？

生：（思考并产生疑惑）空间站也在围绕地球转，引力应该存在……

师：非常好！引力并未消失，而是表现为另一种形式。这就涉及到我们今天要深入探究的力——重力。它与地球的引力究竟是什么关系？它又有哪些我们未曾真正理解的特性？让我们带着这些问题，开启今天的深度学习。

【设计意图】通过空间站这一真实且前沿的科技情境，制造强烈的认知冲突，直指“重力就是引力”这一迷思概念，瞬间点燃学生的好奇心和探究欲，为后续深入剖析重力本质奠定基础。

（二）重力的本质与大小：拨云见日，定量分析

1、重力的本质——不是引力的“分身”

师：（结合地球自转的示意图讲解）地球对其表面附近的物体施加万有引力F引。这个力产生了两个效果：一个是提供物体随地球自转所需的向心力F向，这个力很小；另一个就是我们所感受到的重力G。因此，G=F引-F向（矢量差）。【非常重要】这说明，重力是万有引力的一个分力，其大小略小于万有引力，方向也并不严格指向地心，除了两极和赤道外，都有微小的偏差。当然，在高中阶段，在不考虑地球自转的情况下，我们可以近似认为重力等于万有引力。

【设计意图】从矢量的角度初步揭示重力与引力的区别，虽然不要求所有学生完全掌握矢量运算，但旨在打破其根深蒂固的错误观念，建立更加严谨的科学认知。

2、重力的定量探究——G=mg的再认识

【基础】师：初中我们学过G=mg，这里的g是什么？它是恒定不变的吗？

分组实验：【热点】利用弹簧测力计和已知质量的钩码，测量并绘制G-m图像。

师：请各小组汇报你们绘制的图像，它是什么形状？说明了什么？

生：是一条过原点的直线，说明重力与质量成正比。

师：这条直线的斜率是什么？就是我们所说的g。请大家根据自己测量的数据，计算出本地的重力加速度g。

师：（展示不同纬度地区的g值表格：赤道9.78m/s²，北京9.80m/s²，北极9.83m/s²）由此可见，g值随纬度的增大而增大，随高度的增加而减小。因此，同一物体从赤道运到北极，其质量不变，但重力会略微增加。

【设计意图】不仅重温了G=mg的关系，更通过实验和数据分析，让学生深刻理解g的物理意义和变化规律，培养学生严谨求实的科学态度和用图像法处理数据的能力。

（三）重力的方向：突破迷思，精确定向

【难点】师：我们都知道重力的方向是“竖直向下”。请问，“竖直向下”等同于“垂直向下”吗？

生：（容易混淆）……应该是的吧？

演示实验1：将一水平仪放在水平桌面上，气泡居中，显示桌面水平。将重锤线悬挂在铁架台上，锤尖指向地面。

演示实验2：将一斜面木块放在桌面上，用重锤线分别靠近水平面和斜面。

师：请大家观察。当重锤线静止时，我们定义它的方向为“竖直方向”。现在看，它是否总是与接触面垂直？

生：它与水平桌面垂直，但与斜面不垂直。

师：完全正确！“竖直向下”指的是垂直于当地水平面向下，指向地心附近（严格说不是指向地心，而是垂直当地水平面），其本质是由重力方向决定的，与物体的运动状态和接触面的情况无关。而“垂直向下”必须指明是与哪个面垂直。所以，只能说“竖直向下”，不能说“垂直向下”。

【设计意图】通过直观的对比实验，将抽象的“方向”概念具象化，引导学生精准辨析“竖直”与“垂直”的本质区别，有效突破这一高频易错点。

（四）重心：等效替代思想的完美诠释

1、概念的建立——从整体到部分

师：（拿出一把直尺）直尺各部分都受到重力，如果我要分析它所受的全部重力，需要画出无数个力吗？

生：太复杂了，不可能。

师：这就引出了一个伟大的思想——等效替代。我们可以认为整个物体受到的重力作用在某一个点上，这个点就是重心。它将一个复杂的、分布于整个物体的力系，等效为一个集中作用于一点的力。【非常重要】

2、探究重心位置的决定因素

（1）质量分布均匀、形状规则的物体：【基础】重心在其几何中心。

（2）质量分布不均匀或形状不规则的物体：

学生分组实验：【热点】【难点】“寻找不规则薄板的重心”。

器材：不规则形状的硬纸板、细线、重锤（或钩码）、铁架台、铅笔。

任务：用所给器材，想办法找到薄板的重心。

学生讨论并设计实验方案，教师引导并强调“二力平衡”原理：当薄板悬挂静止时，细线的拉力与重力平衡，重力与拉力在同一直线上，因此重心一定在悬线所在的直线上。通过两次不同点悬挂，两条直线的交点即为重心。

学生动手操作，并记录现象。

师：大家找到了重心，请用笔在重心位置点一个点。现在将这个薄板重心以外的部分剪掉，只剩下包含重心的一小块，用手指顶住这一小块的重心位置，它还能平衡吗？

生：（尝试）可以！

师：那如果我们将重心处的小块挖掉，剩下的环状部分，它的重心还在原来那个点吗？这个点还在物体上吗？

生：（思考并尝试，发现重心位置变了，而且新的重心可能在空洞的中央，不在物体上了）

师：太棒了！这说明，重心是重力的等效作用点，但它【不一定在物体上】。比如圆环的重心就在圆环的圆心，而圆心处并没有物质存在。

【设计意图】通过层层递进的实验和追问，将学生的思维不断引向深入。从寻找重心，到验证等效性，再到探讨重心与物体的位置关系，让学生在动手和思辨中，真正领悟“等效替代”思想的精髓，并彻底攻克“重心不一定在物体上”这一难点。

3、重心与稳定性的跨学科应用

【跨学科视野】师：重心在工程学、体育学中有着极其广泛的应用。

图片展示1：一台F1赛车，其底盘极低，发动机位置靠后且低。为什么？

生：降低重心，提高稳定性，防止高速过弯时侧翻。

图片展示2：走钢丝杂技演员手中拿着一根长长的平衡杆，有时杆两端还挂着重物。这是为什么？

生：演员通过调整杆的位置，改变整体的重心位置，使其能保持在钢丝的正上方，从而保持平衡。

图片展示3：跳高运动员采用“背越式”过杆。请大家思考，他的身体是弯曲的，其重心是在身体内部还是外部？在过杆的瞬间，他的重心是比杆高还是比杆低？

生：（激烈讨论）……背越式过杆时，身体呈拱形，重心在体外，可以做到让重心从杆下方通过，从而跳过更高的高度。

师：非常精彩的物理思维！这正是对重心概念的极致应用。

【设计意图】将物理知识与F1赛车、杂技、跳高等跨学科、跨领域实例相结合，不仅极大地激发了学生的学习兴趣，更培养了学生运用物理知识解释生活现象、解决实际问题的能力，体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。

（五）课堂小结与思维导图构建

师：请同学们根据本节课的学习，自己绘制一幅关于“重力”的思维导图，要包含重力的三要素（大小、方向、作用点），以及每个要素下的核心知识点和易错点，并能够体现出“等效替代”这一科学思想。

学生绘制，并选取优秀作品进行展示和点评。

【设计意图】变教师总结为学生自主构建知识体系，有助于学生形成结构化的知识网络，加深对核心概念的理解和记忆，实现深度学习。

五、精准达标与素养提升训练

（一）基础巩固——【基础】

1、关于重力，下列说法正确的是（）

A.重力的方向总是指向地心

B.物体对水平支持物的压力就是物体的重力

C.同一物体在北京的重力大于在赤道的重力

D.物体在月球上的质量是地球上的六分之一

2、关于物体的重心，下列说法正确的是（）

A.重心是物体内最重的一点

B.形状规则的物体，其重心一定在其几何中心

C.物体升高或降低时，重心在物体上的位置不变

D.用一根细线悬挂的物体静止时，悬线所在的直线一定通过物体的重心

（二）能力提升——【重要】

3、如图所示，一个空心均匀球壳里面注满水，球的正下方有一个小孔，当水从小孔慢慢流出直至流完的过程中，空心球壳和壳内剩余水的共同重心将如何变化？（）

A.一直下降B.一直上升

C.先升高后降低D.先降低后升高

【解析】此题考察重心随质量分布变化的动态分析。开始装满水时，重心在球心；随着水的流出，球壳质量不变，但水质量减少，且剩余水呈球壳状，整体重心在球心下方；当水快流完时，球壳内几乎无水，重心又回到球心。因此整个过程重心先降低后升高，选D。

（三）拓展探究——【高频考点】【难点】

4、物理与体育：质量为60kg的跳高运动员，要采用“背越式”技术跳过2.10m的横杆，请结合本节重心知识，定性分析运动员在过杆瞬间，其身体重心的大致高度范围，并说明理由。

【解析】背越式过杆时，运动员身体呈拱形，重心在体外。为了尽可能利用身体腾空高度，运动员总是尽力让身体各部分依次越过横杆，从而使重心轨迹的最高点低于横杆。因此，运动员过杆瞬间，其重心高度应略低于2.10m。此题旨在引导学生将物理模型与真实运动情境相结合，考察其应用物理原理解决复杂问题的能力。

六、教学反思与重构

本节课的设计，摒弃了传统的概念灌输模式，转而以核心素养为导向，通过“认知冲突—科学探究—模型建构—迁移应用”的路径，将知识传授与能力培养深度融合。教学过程中，尤其注重了以下几点：

1、注重概念的深度建构：不仅讲“是什么”，更用“空间站失重”等现象追问“为什么”，引导学生透过现象看本质，构建正确的物理观念。

2、凸显科学思维方法：将“等效替代”思想贯穿于重心教学的始终，并通过学生实验和思