论高中物理超重和失重的验证环节

太原师范学院 李叶彤

在科学探究的过程中，实践是检验真理的唯一标准，经过理论分析得出的科学论点需经过事实检验才能称之为科学结论。无论是通过实验归纳途径还是通过理论分析途径得到的结论，都需要经过与之匹配的经验事实检验，才能确证其正确性。2017年颁布的《普通高中物理课程标准》提出物理学科核心素养，其中“科学思维”和“科学探究”都强调“科学论证”和“证据”的重要性。可见，新课改对学生的科学论证能力要求逐渐提升。因此，在物理课程的学习中，验证环节是不可或缺的。

一、验证的方法

验证方法的本质是间接证明的过程，理论分析途径由已经确证的公理或通过思想自由创造形成假设公理，经过严密的逻辑演绎，获得新的一般原理，原理的正确性由其匹配人们经验事实的可靠性来检验。

在科学研究的过程中，验证的步骤如下：（1）假定待研究的物理性质为真；（2）运用已有原理、经验事实，通过逻辑推理，合理演绎出可以被经验或实验事实证实的、新的物理事实和性质（即间接证明）；（3）通过一定的经验或事实证实上述推出的事实或性质是否真实存在。如果新推出的结论寻求到与之匹配的经验事实，则原结论得以验证；若没有，则原结论的真实性还有待考量。

将科学探究的验证过程对应到物理学习的过程中，学习者往往需要经历一定的逻辑推理和演绎来推出新的事实，还可能要经历问题解决的过程。其中推理过程一般运用穆勒五法以及演绎推理来寻求物理量间的因果关系。

以演绎推理为例，演绎推理策略是由反映一般性知识的前提得出有关特殊性知识的结论的一种推理，其最基本的形式是三段论。在物理概念规律的学习中，这种形式最常用到，即遵循大前提、小前提、结论这样的结构推出结论，结构为：（1）P→q（大前提）；（2）P（小前提）；（3）则q（结论）。

对于问题解决，需要遵循问题解决的过程：（1）明确要解决的问题，即问题表征；（2）选取适当的策略，即制订方案；（3）运用相关技能，即执行方案；（4）评估。

二、超重与失重验证环节的分析

超重和失重是人教版必修1第四章第6节的内容，旧教材的超重与失重的内容包含于用牛顿运动定律解决问题（二）中，更加强调牛顿定律的运用，而新教材将超重和失重独立为单独一节内容，更加聚焦运动与力的关系。其中“在什么条件下发生失重现象？在什么条件下发生超重现象？”是这节的难点。学生在学习本节以前已经学习了牛顿运动定律的有关内容，在本节学习了超重和失重的概念后，通过理论分析得出超重和失重产生的条件。根据验证环节的方法，假设上述结论为真，可进一步进行逻辑推理，推出新的论断，并通过一定的事实证实，进而验证结论。

（一）确定待研究的物理性质为真

运用牛顿定律的有关内容进行理论分析，得出超重和失重的产生条件，具体分析过程如下。待研究问题：发生超重和失重现象的条件是什么？该问题可以分为子问题1与子问题2。子问题1：发生超重现象的条件是什么？子问题2：发生失重现象的条件是什么？分别解决如下。

子问题1解决：可通过物体的受力与运动间的关系来分析。选取发生超重现象的物体，根据超重的概念，该物体受到竖直向下的重力G和向上的力F向上，且F向上＞G。可根据牛顿第二定律进一步推出物体的加速度a=（F向上-G）/m＞0（根据牛顿第二定律），以向上为正方向，加速度方向向上。可得：当物体具有向上的加速度时，发生超重现象。

子问题2的解决与子问题1相同，通过类比的方式可推出结论。

结论：当物体具有向上的加速度时，发生超重现象；当物体具有向下的加速度时，发生失重现象。可见，上述分析经历了问题解决的过程，将一个问题分解成两个子问题，子问题1运用相关技能——受力分析的技能和牛顿第二定律，问题得到解决，子问题2可类比子问题1得到解决。

（二）推出新的论断

要验证以上结论，需要遵循验证的方法进行第一步——推理出新的论断，在上述结论的前提下，选定特定条件下的情境进行推断，得出新的结论，如果新的结论得以检验，则验证完成。此过程主要遵循演绎推理的学习机制。

1.确定要研究的情境

根据上述结论，需要选取具有一定加速度的物体作为研究对象，并判断其发生超重和失重的现象，形成两个问题。问题1：选择什么作为研究对象？解决：根据上述结论，需要选择具有一定加速度的物体进行研究，生活中比较常见的就是电梯，可选取电梯中的人为研究对象。问题2：超重和失重现象如何观察到？解决：通过分析物体的受力情况，放在电梯中的物体受到重力和支持力。

子问题1：物体所受到的重力如何获得？解决：利用电子秤，物体所受到的重力与电子秤对物体的支持力大小相等（静止状态下物体受力平衡），秤对物体的支持力与物体对秤的压力相等（牛顿第三定律，作用力和反作用力的大小关系），而电子秤显示的是物体对电子秤的压力，因此，静止状态下，电子秤的示数即为物体所受到的重力。子问题2：物体所受到的支持力如何获得？解决：秤对物体的支持力与物体对秤的压力相等（牛顿第三定律，作用力和反作用力的大小关系），而电子秤显示的是物体对电子秤的压力，即可通过电子秤的示数看出物体所受到的支持力。

确定研究情境：以电梯中的人为研究对象，通过电子秤上示数的变化分析该物体的超重和失重现象。

2.推理分析得出新论断

首先分析电梯的运动，当电梯静止从一楼上升到四楼的过程中，可以分为三个阶段，分别是加速上升（加速度向上）、匀速上升（加速度为零）、减速上升（加速度向下）。当电梯静止从四楼下降到一楼的过程中，可以分为三个阶段，分别是加速下降（加速度向下）、匀速下降（加速度为零）、减速下降（加速度向上）。

结合超重和失重的概念以及上述结论，可做以下演绎推理。

演绎推理1：（1）当物体具有向上的加速度时，发生超重现象（大前提）；（2）电梯的加速度向上，即电梯加速上升或者减速下降（小前提）；（3）电梯加速上升或者减速下降时，发生超重现象，电子秤示数大于物体所受重力（结论）。

演绎推理2：（1）当物体具有向下的加速度时，发生失重现象（大前提）；（2）电梯的加速度向下，电梯减速上升或者加速下降（小前提）；（3）电梯减速上升或者加速下降时，发生失重现象，电子秤示数小于物体所受重力（结论）。

因此，经过以上过程推出新的论断：当电梯的加速度向上时，发生超重现象，电子秤的示数大于人体的重力（F示＞G人）；当电梯加速度为零时，无失重、无超重现象，电子秤的示数等于人体的重力（F示=G人）；当电梯的加速度向下时，发生失重现象，电子秤的示数小于物体的重力（F示＜G人）。由以上推理过程，可看出主要运动演绎推理的推理方式。

（三）验证新的论断

演示人站在体重秤上随电梯运动的视频，将在视频中所观察到的数据记录在相应表格中，主要记录在电梯运动的不同阶段电子秤示数F示与人的重力G的大小关系以及对应的现象，进而与上述分析推出的结果相比较。实际的现象与上述推论结果吻合，从而验证了发生超重和失重现象的条件。

本文强调在物理课程学习中验证环节的重要性，明确验证的方法，并以超重和失重的产生条件为例，遵循验证的方法进行验证环节学习过程的分析。通过验证环节的学习，可以增强学生在物理学习过程对证据的重视程度，对学生科学论证能力的培养也有一定效果。有效的教学必须建立在明晰学生学习过程的基础上，因此，验证环节的学习过程分析，对教师验证环节的教学也有指导意义。