論高中物理超重和失重的驗證環節

太原師范學院 李葉彤

在科學探究的過程中，實踐是檢驗真理的唯一標準，經過理論分析得出的科學論點需經過事實檢驗才能稱之為科學結論。無論是通過實驗歸納途徑還是通過理論分析途徑得到的結論，都需要經過與之匹配的經驗事實檢驗，才能確證其正確性。2017年頒布的《普通高中物理課程標準》提出物理學科核心素養，其中“科學思維”和“科學探究”都強調“科學論證”和“證據”的重要性?？梢?，新課改對學生的科學論證能力要求逐漸提升。因此，在物理課程的學習中，驗證環節是不可或缺的。

一、驗證的方法

驗證方法的本質是間接證明的過程，理論分析途徑由已經確證的公理或通過思想自由創造形成假設公理，經過嚴密的邏輯演繹，獲得新的一般原理，原理的正確性由其匹配人們經驗事實的可靠性來檢驗。

在科學研究的過程中，驗證的步驟如下：（1）假定待研究的物理性質為真；（2）運用已有原理、經驗事實，通過邏輯推理，合理演繹出可以被經驗或實驗事實證實的、新的物理事實和性質（即間接證明）；（3）通過一定的經驗或事實證實上述推出的事實或性質是否真實存在。如果新推出的結論尋求到與之匹配的經驗事實，則原結論得以驗證；若沒有，則原結論的真實性還有待考量。

將科學探究的驗證過程對應到物理學習的過程中，學習者往往需要經歷一定的邏輯推理和演繹來推出新的事實，還可能要經歷問題解決的過程。其中推理過程一般運用穆勒五法以及演繹推理來尋求物理量間的因果關系。

以演繹推理為例，演繹推理策略是由反映一般性知識的前提得出有關特殊性知識的結論的一種推理，其最基本的形式是三段論。在物理概念規律的學習中，這種形式最常用到，即遵循大前提、小前提、結論這樣的結構推出結論，結構為：（1）P→q（大前提）；（2）P（小前提）；（3）則q（結論）。

對于問題解決，需要遵循問題解決的過程：（1）明確要解決的問題，即問題表征；（2）選取適當的策略，即制訂方案；（3）運用相關技能，即執行方案；（4）評估。

二、超重與失重驗證環節的分析

超重和失重是人教版必修1第四章第6節的內容，舊教材的超重與失重的內容包含于用牛頓運動定律解決問題（二）中，更加強調牛頓定律的運用，而新教材將超重和失重獨立為單獨一節內容，更加聚焦運動與力的關系。其中“在什么條件下發生失重現象？在什么條件下發生超重現象？”是這節的難點。學生在學習本節以前已經學習了牛頓運動定律的有關內容，在本節學習了超重和失重的概念后，通過理論分析得出超重和失重產生的條件。根據驗證環節的方法，假設上述結論為真，可進一步進行邏輯推理，推出新的論斷，并通過一定的事實證實，進而驗證結論。

（一）確定待研究的物理性質為真

運用牛頓定律的有關內容進行理論分析，得出超重和失重的產生條件，具體分析過程如下。待研究問題：發生超重和失重現象的條件是什么？該問題可以分為子問題1與子問題2。子問題1：發生超重現象的條件是什么？子問題2：發生失重現象的條件是什么？分別解決如下。

子問題1解決：可通過物體的受力與運動間的關系來分析。選取發生超重現象的物體，根據超重的概念，該物體受到豎直向下的重力G和向上的力F向上，且F向上＞G?？筛鶕ｎD第二定律進一步推出物體的加速度a=（F向上-G）/m＞0（根據牛頓第二定律），以向上為正方向，加速度方向向上?？傻茫寒斘矬w具有向上的加速度時，發生超重現象。

子問題2的解決與子問題1相同，通過類比的方式可推出結論。

結論：當物體具有向上的加速度時，發生超重現象；當物體具有向下的加速度時，發生失重現象?？梢?，上述分析經歷了問題解決的過程，將一個問題分解成兩個子問題，子問題1運用相關技能——受力分析的技能和牛頓第二定律，問題得到解決，子問題2可類比子問題1得到解決。

（二）推出新的論斷

要驗證以上結論，需要遵循驗證的方法進行第一步——推理出新的論斷，在上述結論的前提下，選定特定條件下的情境進行推斷，得出新的結論，如果新的結論得以檢驗，則驗證完成。此過程主要遵循演繹推理的學習機制。

1.確定要研究的情境

根據上述結論，需要選取具有一定加速度的物體作為研究對象，并判斷其發生超重和失重的現象，形成兩個問題。問題1：選擇什么作為研究對象？解決：根據上述結論，需要選擇具有一定加速度的物體進行研究，生活中比較常見的就是電梯，可選取電梯中的人為研究對象。問題2：超重和失重現象如何觀察到？解決：通過分析物體的受力情況，放在電梯中的物體受到重力和支持力。

子問題1：物體所受到的重力如何獲得？解決：利用電子秤，物體所受到的重力與電子秤對物體的支持力大小相等（靜止狀態下物體受力平衡），秤對物體的支持力與物體對秤的壓力相等（牛頓第三定律，作用力和反作用力的大小關系），而電子秤顯示的是物體對電子秤的壓力，因此，靜止狀態下，電子秤的示數即為物體所受到的重力。子問題2：物體所受到的支持力如何獲得？解決：秤對物體的支持力與物體對秤的壓力相等（牛頓第三定律，作用力和反作用力的大小關系），而電子秤顯示的是物體對電子秤的壓力，即可通過電子秤的示數看出物體所受到的支持力。

確定研究情境：以電梯中的人為研究對象，通過電子秤上示數的變化分析該物體的超重和失重現象。

2.推理分析得出新論斷

首先分析電梯的運動，當電梯靜止從一樓上升到四樓的過程中，可以分為三個階段，分別是加速上升（加速度向上）、勻速上升（加速度為零）、減速上升（加速度向下）。當電梯靜止從四樓下降到一樓的過程中，可以分為三個階段，分別是加速下降（加速度向下）、勻速下降（加速度為零）、減速下降（加速度向上）。

結合超重和失重的概念以及上述結論，可做以下演繹推理。

演繹推理1：（1）當物體具有向上的加速度時，發生超重現象（大前提）；（2）電梯的加速度向上，即電梯加速上升或者減速下降（小前提）；（3）電梯加速上升或者減速下降時，發生超重現象，電子秤示數大于物體所受重力（結論）。

演繹推理2：（1）當物體具有向下的加速度時，發生失重現象（大前提）；（2）電梯的加速度向下，電梯減速上升或者加速下降（小前提）；（3）電梯減速上升或者加速下降時，發生失重現象，電子秤示數小于物體所受重力（結論）。

因此，經過以上過程推出新的論斷：當電梯的加速度向上時，發生超重現象，電子秤的示數大于人體的重力（F示＞G人）；當電梯加速度為零時，無失重、無超重現象，電子秤的示數等于人體的重力（F示=G人）；當電梯的加速度向下時，發生失重現象，電子秤的示數小于物體的重力（F示＜G人）。由以上推理過程，可看出主要運動演繹推理的推理方式。

（三）驗證新的論斷

演示人站在體重秤上隨電梯運動的視頻，將在視頻中所觀察到的數據記錄在相應表格中，主要記錄在電梯運動的不同階段電子秤示數F示與人的重力G的大小關系以及對應的現象，進而與上述分析推出的結果相比較。實際的現象與上述推論結果吻合，從而驗證了發生超重和失重現象的條件。

本文強調在物理課程學習中驗證環節的重要性，明確驗證的方法，并以超重和失重的產生條件為例，遵循驗證的方法進行驗證環節學習過程的分析。通過驗證環節的學習，可以增強學生在物理學習過程對證據的重視程度，對學生科學論證能力的培養也有一定效果。有效的教學必須建立在明晰學生學習過程的基礎上，因此，驗證環節的學習過程分析，對教師驗證環節的教學也有指導意義。