高中物理必修第一册第四章“失重和超重·力学单位”同步教学设计（粤教版）

高中物理必修第一册第四章“失重和超重·力学单位”同步教学设计（粤教版）本节是高中物理力学部分的重要收尾与升华。失重与超重现象是牛顿运动定律在具体情境中的灵活运用，力学单位则是对整个力学知识体系的量化梳理。教材安排这两节内容，意在让学生在掌握动力学规律的同时，形成完整的物理量度量观念，理解物理学的严谨性与实用性。从认知发展看，学生在此前已经系统学习了牛顿第一、第二、第三定律，对力与运动的关系有了初步认识，但对“视重”这一概念缺乏直观感受；对力学单位的理解多停留在死记硬背层面，缺乏系统性和物理意义层面的深度认知。因此，本节教学的核心任务在于：通过实验探究与生活实例分析，帮助学生建立失重与超重的科学认知，明晰力学单位的内在逻辑，从而提升其运用物理规律解决实际问题的能力，培育科学思维与核心素养。一、教学目标设定（一）物理观念理解视重的物理内涵，掌握完全失重、部分失重、完全超重、部分超重的判定依据与力学本质；系统梳理力学基本物理量及其单位，明确国际单位制中七个基本物理量的选取依据，理解导出单位与基本单位的关系。（二）科学思维通过受力分析与运动状态判断的结合，培养学生的逻辑推理能力；通过对单位制的系统学习，发展学生的归纳概括与类比迁移能力；通过“加速度方向与视重变化关系”的多情境辨析，提升学生的批判性思维与模型建构能力。（三）科学探究经历“弹簧秤悬挂重物在不同运动状态下的示数变化”实验探究过程，掌握控制变量法与对比实验设计思想，提升实验操作、数据记录与分析论证能力。（四）科学态度与责任通过“神舟”系列载人飞船失重实验、空间站建设等我国航天科技成就的介绍，激发学生的民族自豪感与科技强国情怀；通过单位制统一对科技交流、贸易往来重要性的阐述，培养学生的国际视野与严谨求实的科学态度。二、教学重难点分析教学重点：失重与超重的判定方法；力学基本单位与导出单位的区分；国际单位制的重要意义。教学难点：完全失重状态下物体的受力分析；单位制中基本量与导出量的逻辑关系理解。三、教学过程设计（一）新课导入：以航天情境激活认知（约5分钟）播放一段约90秒的视频片段：航天员在“天宫”空间站内飘浮行走的画面，配合解说词介绍太空环境下的失重现象。提出问题链：①航天员在轨道舱内“飘”起来，是因为不受地球引力了吗？②地面发射火箭时，航天员承受的“推背感”与在轨飞行时的“飘浮感”有何本质区别？③航天器绕地球做匀速圆周运动时，航天员受到的地球引力用来做什么？学生活动：分组讨论3分钟，各组派代表发言。设计意图：以国家重大科技成就创设情境，激发兴趣，同时暴露学生前认知中可能存在的误区（如“失重=不受重力”），为后续概念建构做铺垫。（二）核心概念建构：视重与失重、超重的判定（约20分钟）1.概念铺垫：视重的定义教师演示实验：取一只弹簧秤，竖直悬挂质量为500g的钩码，待稳定后记录示数F₁；用手托住钩码缓慢上下移动，观察示数变化；突然向上加速提起弹簧秤，观察示数变化；突然松开手让钩码自由下落，观察示数变化。师生共同归纳：弹簧秤的示数反映的是物体对弹簧秤的拉力大小，即物体的视重。当物体处于平衡状态时，视重等于实重（地球对物体的万有引力）；当物体有竖直方向加速度时，视重与实重不再相等。2.核心规律建构教师引导学生完成下列表格分析：运动状态加速度方向牛顿第二定律方程视重与实重关系静止或匀速a=0F支mg=0F支=mg（视重=实重）加速上升a向上F支mg=maF支=m(g+a)>mg（超重）减速上升a向下mgF支=maF支=m(ga)<mg（失重）加速下降a向下mgF支=maF支=m(ga)<mg（失重）减速下降a向上F支mg=maF支=m(g+a)>mg（超重）自由落体a=g向下mgF支=mgF支=0（完全失重）3.难点突破：完全失重的深入理解提出问题：航天员在空间站中，地球引力依然存在（通常约为地面的90%），为何会出现“飘浮”现象？教师引导分析：设空间站轨道半径为r，地球质量为M。航天员随空间站做匀速圆周运动，向心力由万有引力提供：GMm/r²=ma向。此时航天员对座椅的压力为零，即完全失重状态。所谓“失重”，并不是失去重力，而是重力全部用来提供做圆周运动所需的向心力，物体不再对支持物产生压力。学生活动：尝试解释“神舟”飞船返回舱减速下降时，航天员为何会被“压”在座椅上。（答：返回舱减速下降，加速度向上，处于超重状态，座椅对航天员的支持力大于其重力。）设计意图：通过表格将抽象的力学关系具象化，利用口诀降低记忆负荷，化解“速度方向”带来的判定误区；通过对完全失重的深度辨析，帮助学生突破“失重=不受重力”的认知障碍。（三）迁移应用：典型例题精析（约10分钟）例题1：质量为60kg的人站在竖直方向运动的电梯内的体重计上，取重力加速度g=10m/s²。（1）若电梯以2m/s²加速度加速上升，体重计示数是多少？（2）若电梯以2m/s²加速度减速上升，体重计示数是多少？（3）若电梯的钢缆突然断裂，体重计示数是多少？解：（1）加速上升，a向上，处于超重状态。由牛顿第二定律得：F支mg=maF支=m(g+a)=60×(10+2)=720N此时人对体重计的压力为720N，即示数为72kg。（2）减速上升，a向下，处于失重状态。由牛顿第二定律得：mgF支=maF支=m(ga)=60×(102)=480N此时示数为48kg。（3）钢缆断裂后，人与电梯一起做自由落体运动，a=g，方向向下，处于完全失重状态。此时人对体重计的压力为零，示数为0。变式训练：若电梯以加速度a匀加速下降，且人刚好对电梯地板无压力，则a为多大？解：人对地板无压力，即地板对人的支持力F支=0。由牛顿第二定律：mg=maa=g=10m/s²此时电梯做加速度为g的匀加速下降运动（即自由落体）。设计意图：通过例题与变式训练，引导学生熟练运用“判定—列方程—求解”的三步法解决失重与超重问题；同时通过“刚好对地板无压力”这一临界条件，培养学生的极限思维与严谨的科学态度。（四）实验探究：升降机模型中的失重与超重验证（约10分钟）实验器材：透明塑料瓶（带瓶盖，底部钻一小孔）、棉线、橡皮筋、小重物、刻度尺、剪刀、铁架台。实验步骤：①在小塑料瓶中装入适量水，旋紧瓶盖，在瓶底小孔处插入一根细棉线，用橡皮筋将小重物固定在棉线下端。②将装置悬挂在铁架台上，使小重物浸入瓶内水中，观察棉线松弛情况。③手持装置模拟电梯“加速上升”“减速上升”“加速下降”“自由下落”四种状态，观察棉线与橡皮筋的变化。实验现象记录：运动状态棉线张力变化橡皮筋形变视重变化推断静止张紧正常视重=实重加速上升张紧程度增大形变增大超重减速上升张紧程度减小形变减小失重加速下降张紧程度减小形变减小失重自由下落棉线松弛几乎无形变完全失重设计意图：将抽象的“视重”概念转化为可观察的“水浮力变化”，通过自制教具的演示，不仅验证了失重与超重的判定规律，还巧妙渗透了“等效重力场”的物理思想，提升学生的实验探究能力与创新意识。（五）力学单位系统梳理（约15分钟）4.单位制的基本概念教师讲解：物理量之间通过物理规律相互联系。为了定量描述物理规律，需要规定物理量的单位。若每个物理量都独立选取单位，会导致物理公式中出现大量经验系数，不利于物理学的交流与发展。因此，国际上通用一套统一的单位制——国际单位制（SI）。5.七个基本物理量与基本单位6.力学范围内的三个基本单位基本物理量符号基本单位单位符号长度l米m质量m千克kg时间t秒s电流I安[培]A热力学温度T开[尔文]K物质的量n摩[尔]mol发光强度Iᵥ坎[德拉]cd①速度：v=Δx/Δt，单位m/s，可写作m·s⁻¹②加速度：a=Δv/Δt，单位m/s²，可写作m·s⁻²③力：由F=ma，单位kg·m/s²，即牛顿（N），1N=1kg·m·s⁻²④动量：p=mv，单位kg·m/s，即千克米每秒⑤压强：p=F/S，单位N/m²，即帕斯卡（Pa），1Pa=1N·m⁻²=1kg·m⁻¹·s⁻²7.单位制的重要意义教师讲述：1977年第16届国际计量大会确定以七个基本量为基础的国际单位制。我国于1985年正式颁布采用国际单位制。在航空航天、深海探测、量子通信等高科技领域，单位制的统一是国际科技交流的基础。若各国使用不同的单位制，必将造成沟通障碍，甚至引发重大工程事故。学生活动：尝试用国际单位制表示万有引力定律的公式F=GMm/r²中各物理量的单位关系。（答：G的单位为N·m²·kg⁻²，可写作m³·kg⁻¹·s⁻²）设计意图：通过表格系统呈现基本物理量，避免学生死记硬背；通过对万有引力定律的单位分析，让学生体会基本单位、导出单位之间的内在逻辑，理解单位制在物理量计算中的“校验”功能。（六）课堂小结与素养提升（约5分钟）师生共同构建本节知识网络：失重与超重：本质是视重与实重的不一致，判定依据是加速度方向。完全失重：物体加速度等于重力加速度且方向竖直向下。力学单位：基本量（长度、质量、时间）→基本单位（m、kg、s）→导出单位（由公式推导得出）。素养升华：引导学生从“力的角度”“运动的角度”“单位的量化角度”重新审视本章内容，形成对力学的整体认知。（七）分层作业布置基础作业：①完成教材第88页“实践与拓展”第1、2题。②解释：电梯启动瞬间人会感到“下沉”，下降启动瞬间人会感到“失重”，这两种现象分别对应什么运动状态？拓展作业：①搜集资料，了解“阿波罗”11号登月过程中，航天员在月面活动时是否处于完全失重状态？请说明理由。②在完全失重状态下，下列现象还能发生的是：A.用天平称量物体质量；B.用弹簧秤测拉力；C.用密度计测液体密度；D.液体内部压强随深度变化。（答案：B）实践作业：制作一个“失重与超重演示器”，要求能直观展示电梯加减速时视重的变化，下周物理课展示评比。四、教学反思预设本节教学在