高中物理人教版第二章勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究5自由落體運(yùn)動(dòng) 全國(guó)一等獎(jiǎng)

《自由落體運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì)【學(xué)習(xí)任務(wù)分析】本節(jié)內(nèi)容是對(duì)前幾節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)和研究方法的應(yīng)用和提升。通過演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生合作實(shí)驗(yàn)，分析得出自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，明確重力加速度的意義，不僅使學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律有具體、深入的認(rèn)識(shí)和規(guī)律在實(shí)際問題中的應(yīng)用，而且使學(xué)生在獨(dú)立獲取物理知識(shí)、探究物理規(guī)律、解決物理問題等方面獲得具體的成果，體驗(yàn)科學(xué)研究的方法，讓學(xué)生得到成功的體驗(yàn)，享受成功的愉悅，激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情和責(zé)任感。本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)在于引導(dǎo)學(xué)生思考研究自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)原理和方法，特別是利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間的方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、結(jié)論得出、誤差分析等實(shí)驗(yàn)方法。本節(jié)教學(xué)的難點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)探究的思路、方法?！緦W(xué)習(xí)者分析】學(xué)生前面已認(rèn)識(shí)描述運(yùn)動(dòng)的基本物理量──位移、路程、速度、加速度，掌握勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并且通過對(duì)以上問題的研究，已體會(huì)到物理學(xué)研究問題的一些方法，如運(yùn)用理想模型和數(shù)學(xué)方法（圖象、公式），以及測(cè)加速度、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等方法?！窘虒W(xué)目標(biāo)】1．通過觀察演示實(shí)驗(yàn)概括出自由落體運(yùn)動(dòng)的條件，滲透物理方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的觀察、概括、科學(xué)抽象能力。2．通過學(xué)生的合作實(shí)驗(yàn)研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，領(lǐng)會(huì)科學(xué)探究方法（提出問題、猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、總結(jié)交流結(jié)論成果），理解自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是加速度為g的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。3．歸納出自由落體加速度的大小和方向，會(huì)判別不同地點(diǎn)重力加速度的大小。4．運(yùn)用理想化方法，通過比較重力與空氣阻力的大小，將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為自由落體問題。5．會(huì)運(yùn)用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律解決自由落體的問題，激發(fā)學(xué)生探究科學(xué)的熱情，增強(qiáng)學(xué)生將物理知識(shí)應(yīng)用于生活和生產(chǎn)的意識(shí)?！窘虒W(xué)過程設(shè)計(jì)】讓學(xué)生利用已有的知識(shí)和方法，經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，培養(yǎng)科學(xué)探究能力，體現(xiàn)物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)這一特點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)思路流程如右圖。虛線框內(nèi)為探究過程?！窘虒W(xué)過程】一、通過演示實(shí)驗(yàn)，引出要探究的問題1．概括落體運(yùn)動(dòng)是豎直向下的直線運(yùn)動(dòng)(1)懸掛在鐵架臺(tái)上的小球，它受到幾個(gè)力的作用？（重力、懸線拉力）演示1：用火將懸線燒斷，引導(dǎo)學(xué)生觀察小球的運(yùn)動(dòng)。（學(xué)生觀察到：小球在重力作用下，沿豎直方向作直線運(yùn)動(dòng)。）(2)落體運(yùn)動(dòng)是最常見的一種運(yùn)動(dòng)演示2：石塊、粉筆頭從手中落下(3)結(jié)論：任何物體只在重力作用下自由下落，都是沿著豎直方向作直線運(yùn)動(dòng)。（過渡：這節(jié)課，我們就來學(xué)習(xí)一種特殊的下落運(yùn)動(dòng)。）（板書：自由落體運(yùn)動(dòng)。）2．物體下落快慢的因素分析(1)提出問題：究竟是重的物體下落快還是輕的物體下落快呢？演示3：等大鐵片和紙片同時(shí)、等高、無初速下落。（學(xué)生觀察到：重的鐵片先落地。）(2)得出“物體越重下落越快”的結(jié)論。觀點(diǎn)是否正確呢？你能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明你的觀點(diǎn)？（激發(fā)學(xué)生思考）(3)讓學(xué)生上講臺(tái)演示其設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，并說明其觀點(diǎn)。學(xué)生演示：較重的鐵紙片和輕小紙團(tuán)同時(shí)、等高、無初速下落，或等大的鐵片和紙片疊在一起無初速下落。（學(xué)生觀察到：輕小紙團(tuán)比較重的鐵片下落快，或鐵片和紙片一樣快。）(4)引導(dǎo)學(xué)生得出正確結(jié)論①根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)和分析，同學(xué)們猜想一下，物體下落的快慢跟重力的大小有什么關(guān)系呢？（生：沒有關(guān)系。）②那怎么解釋前面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢？（生：空氣阻力影響了物體下落的快慢。）③同學(xué)們猜想一下，如果完全沒有空氣阻力的影響，輕、重物體誰下落得快呢？演示4：科普知識(shí)：1971年美國(guó)宇航員斯科特在月球上讓一把錘子和一根羽毛同時(shí)下落，觀察到它們同時(shí)落到月球表面。演示5：錢羽管實(shí)驗(yàn)（學(xué)生觀察到：在抽去空氣的錢羽管內(nèi)，輕重不同的鐵片、羽毛同時(shí)落下。）結(jié)論：在沒有空氣阻力時(shí)，物體下落的快慢跟物體重力無關(guān)。我們把這樣的運(yùn)動(dòng)稱為自由落體運(yùn)動(dòng)。（板書：定義：物體只在重力作用下，由靜止開始的下落運(yùn)動(dòng)叫自由落體運(yùn)動(dòng)。）(5)在日常生活中，我們平時(shí)見到的落體運(yùn)動(dòng)由于大氣層的存在，自由落體運(yùn)動(dòng)是一種理想運(yùn)動(dòng)，但掌握了這種理想運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，也就為研究實(shí)際運(yùn)動(dòng)打下了基礎(chǔ)。當(dāng)空氣阻力不太大，與重力相比較可以忽略時(shí)，實(shí)際的落體運(yùn)動(dòng)可以近似地當(dāng)作自由落體運(yùn)動(dòng)。（讓學(xué)生體會(huì)自由落體運(yùn)動(dòng)有著普遍的意義和現(xiàn)代科技的發(fā)展與人類科學(xué)探究進(jìn)程的關(guān)系。）演示6：體積相同的小木球和小鐵球同時(shí)、同高、無初速落下。（學(xué)生觀察到：兩球幾乎同時(shí)落地。）結(jié)論：（板書：自由落體運(yùn)動(dòng)的條件：a·從靜止開始下落，初速為零；b．只受重力，或其他力可忽略不計(jì)。）（說明：讓學(xué)生思考、討論，明確空氣阻力使下落物體的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)得很復(fù)雜，科學(xué)研究的第一步是先忽略空氣阻力，研究物體不受空氣阻力的運(yùn)動(dòng)。在這樣的學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅可以提高觀察與推理的能力，而且會(huì)逐漸形成觀察與思考的習(xí)慣。）（過渡：人們根據(jù)簡(jiǎn)單的觀察所得到的直覺觀念和結(jié)論往往不一定都是可靠的，應(yīng)當(dāng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)它們進(jìn)行檢驗(yàn)。）二、探索研究過程1．提出問題(1)那么自由落體運(yùn)動(dòng)是什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)呢？（生：（部分）是勻變速直線運(yùn)動(dòng)。）如是，怎樣通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？(2)它的加速度與哪些因素有關(guān)？與落體質(zhì)量有關(guān)嗎？(3)你的說法有根據(jù)嗎？你研究過嗎？（反問）2．猜想假設(shè)(l)落體運(yùn)動(dòng)既然是自然界最常見、最普遍的一種運(yùn)動(dòng)，那么其中必然蘊(yùn)藏著最簡(jiǎn)單的規(guī)律。(2)方法教育：大物理學(xué)家們對(duì)猜想假設(shè)的理解。一旦科學(xué)插上幻想的翅膀，它就能贏得勝利。──法拉第（英國(guó)）沒有大膽的猜測(cè)就作不出偉大的發(fā)現(xiàn)。──牛頓（英國(guó)）(3)讓學(xué)生大膽猜想自由落體運(yùn)動(dòng)是一種最簡(jiǎn)單的一種變速運(yùn)動(dòng)──初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。(4)怎樣研究物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律？對(duì)于初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度為常量，物體運(yùn)動(dòng)的位移s、時(shí)間t、速度v之間存在如下關(guān)系：3．設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（教師引導(dǎo)，學(xué)生通過學(xué)生分組合作討論，提出設(shè)計(jì)方案。）方案一：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄的紙帶研究物體的自由落體運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)原理：設(shè)計(jì)要求：(1)如何提高本實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度？(2)完成實(shí)驗(yàn)后，對(duì)紙帶進(jìn)行分析，如何判斷其是勻變速運(yùn)動(dòng)？(3)如何利用實(shí)驗(yàn)來說明不同物體的自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同？設(shè)計(jì)思路：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，為提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，應(yīng)從減少阻力、正確安裝器材及操作步驟合理等入手。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器最大的特點(diǎn)就是每打兩點(diǎn)的時(shí)間間隔相等，它直接記錄下的實(shí)際是物體在連續(xù)相等時(shí)間間隔內(nèi)的位移，通過研究這些位移，看連續(xù)相等時(shí)間間隔內(nèi)的位移差△s是否相等，從而得知物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。設(shè)計(jì)結(jié)果：(1)由自由落體運(yùn)動(dòng)的定義知，要提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，應(yīng)該從盡量減少阻力入手。具體辦法是：整個(gè)裝置應(yīng)豎直（如圖所示），紙帶應(yīng)平行于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，先打點(diǎn)后放手等。(2)從相鄰兩點(diǎn)間的距離可看出，物體越往下落，相同時(shí)間間隔內(nèi)下落的距離越大，即速度越來越大。(3)各組利用各自的紙帶選擇清晰的，并量出相鄰各點(diǎn)間的距離。分組實(shí)驗(yàn)：按設(shè)計(jì)要求操作實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，同組實(shí)驗(yàn)者要求相互合作。各組實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的重物質(zhì)量、形狀各不相同。（說明：學(xué)生可能會(huì)根據(jù)勻變速運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)會(huì)提出多種方案，以下方案的設(shè)計(jì)老師要給予肯定，有條件的可以根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行教師課堂演示，沒條件的可以用光電門替代，作為學(xué)生課外研究性課題。）方案二：利用找出落體物體的速度與時(shí)間的關(guān)系測(cè)速度隨時(shí)間變化的關(guān)系方案三：利用找出落體物體的位移與時(shí)間的關(guān)系測(cè)位移隨時(shí)間變化的關(guān)系設(shè)計(jì)原理：v-t圖s-t圖設(shè)計(jì)思路：利用儀器測(cè)出v、s、t各量設(shè)計(jì)結(jié)果：通過描點(diǎn)作圖，得出圖象對(duì)應(yīng)的規(guī)律。（說明：教師對(duì)以上幾種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，特別對(duì)于方案一要著重分析引導(dǎo)，有利于養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。對(duì)于方案二、三教師先給予肯定，利用大屏幕投影進(jìn)行演示。給學(xué)生介紹隨現(xiàn)代科技的發(fā)展，有一種儀器(如圖)利用LoggerPro軟件自動(dòng)識(shí)別連接在Lab-Pro上的運(yùn)動(dòng)傳感器，能直接讀出自由下落物體的速度和位移，不僅會(huì)大大縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且能解決處理數(shù)據(jù)時(shí)遇到的如何計(jì)算速度這一難題。）4．分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方案一：利用量出的SAB、SBC、SCD算出△s，看是否在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)相等。若是相等，利用△s=aT2計(jì)算出a=？并根據(jù)紙帶判斷出A的方向。方案二：利用LoggerPro軟件做出v-t圖象。如圖。方案三：利用LoggerPro軟件做出s-t圖象。如圖。5．總結(jié)交流結(jié)論成果方案一：利用各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行交流，判斷得出結(jié)論是否相同？算出的口是否相等？進(jìn)行交流后，發(fā)現(xiàn)不同物體所做的試驗(yàn)結(jié)論都相差不大，都在9．5m/s2左右，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)可以認(rèn)為相同。方案二、三：利用loggerPro軟件對(duì)圖象進(jìn)行擬合后，得出的A接近9．8m/s2。結(jié)論：輕重物體下落快慢相同，都做初速度為零的勻變速直線運(yùn)動(dòng)，A接近9．8m/s2。方案一偏差較大且值都偏小的原因是阻力影響較大（紙帶與限位孔、空氣阻力等）。板書：(1)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)：初速度為零的勻變速直線運(yùn)動(dòng)。·不同重量的物體加速度相同；這個(gè)加速度稱為重力加速度?！ぜ铀俣鹊拇笮椋篲___（學(xué)生由實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的值）。板書：(2)自由落體的加速度──重力加速度g在同一地點(diǎn)，一切物體做自由落體的加速度都相同。強(qiáng)調(diào)：“在同一地點(diǎn)”。就是說，在不同的地點(diǎn)，物體自由落體的加速度不同。（教師介紹精確實(shí)驗(yàn)測(cè)定的北極9．832m/s2、北京9．801m/s2、長(zhǎng)沙9．791m/s2、赤道9．780m/s2的重力加速度值，總結(jié)出：越靠近赤道，重力加速度的值越?。辉娇拷鼉蓸O，重力加速度的值越大。并給出一般取值。）板書：通常計(jì)算中，g=9．8m/s2方向：豎直向下。6．探究過程小結(jié)：通過觀察、思考、分析，提出所要研究的問題，然后作出假設(shè)，選擇實(shí)驗(yàn)方案，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、總結(jié)交流結(jié)論成果，是科學(xué)探究的重要途徑。三、應(yīng)用1．閃光照片現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展為我們研究自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)提供了更為科學(xué)的手段，請(qǐng)同學(xué)們看彩圖，彩圖是自由落體的小球的閃光照片按比例的縮小圖。（簡(jiǎn)介閃光照相）照片上相鄰的球是相隔1/30秒的時(shí)間拍攝的，請(qǐng)大家用刻度尺測(cè)相鄰的每?jī)蓚€(gè)球之間的距離S，在計(jì)算出相鄰每?jī)啥蔚奈灰撇?，看是否是恒量？（生：（測(cè)量、計(jì)算）是恒量，說明自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)。）2．能否找出剛才紙帶上所打的第一個(gè)點(diǎn)嗎？（利用只要距第二個(gè)點(diǎn)約為2mm的點(diǎn)）3．為了測(cè)出井口到井里水面的深度，身邊沒有尺子，但有一秒表，如何粗略測(cè)量其深度。可讓一個(gè)小石塊從井口下落，若測(cè)得經(jīng)2s鐘聽到石塊落到水面的聲音，求井口到水面的大約深。（不計(jì)聲音傳播的時(shí)間）(19．6米)小結(jié)：從這題中可以看到應(yīng)用自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們可以把長(zhǎng)度測(cè)量問題轉(zhuǎn)換為時(shí)間測(cè)量問題。這是物理學(xué)研究中常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換方法。4．（參見教科書44頁做一做）測(cè)定反應(yīng)時(shí)間：測(cè)人的反應(yīng)時(shí)間，一個(gè)人從發(fā)現(xiàn)情況到采取相應(yīng)行動(dòng)經(jīng)過的時(shí)間叫反應(yīng)時(shí)間?？梢杂孟旅娣椒y(cè)定：請(qǐng)一位同學(xué)用兩個(gè)手指捏住木尺頂端，請(qǐng)你拳起一只手的手指在木尺的下部，作握尺的準(zhǔn)備，但手的任何部位都不要碰到木尺，當(dāng)看到那位同學(xué)放手時(shí)，你立即握木尺，測(cè)出木尺下降的高度，就可以用自由落體規(guī)律求出反應(yīng)時(shí)間。假設(shè)測(cè)得某人握住木尺時(shí)，木尺下降了20cm，求該人的反應(yīng)時(shí)間。5．測(cè)量“傻瓜”照相機(jī)曝光時(shí)間（參見書44頁做一做）總結(jié)：運(yùn)動(dòng)規(guī)律：公式：【板書設(shè)計(jì)】【教學(xué)后記】1．通過演示實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的觀察、概括、科學(xué)抽象能力。教學(xué)時(shí)，教學(xué)過程的第一部分（通過演示實(shí)驗(yàn)，引出要探究的問題）可以適當(dāng)緊湊些，盡量縮短教學(xué)時(shí)間。研究物體下落快慢的因素分析時(shí)，盡量激發(fā)學(xué)生思考，利用已有的實(shí)驗(yàn)器材（紙片、鐵片），放手讓學(xué)生上講臺(tái)來演示，這不僅激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且活躍了課堂氛圍。2．通過探索研究過程，得出重要的結(jié)論：自由落體是勻加速運(yùn)動(dòng)、加速度為g；同時(shí)“讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，培養(yǎng)科學(xué)探究能力”的精神。最后，自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的得出及應(yīng)用等知識(shí)也就水到渠成。因此，對(duì)課本知識(shí)的適當(dāng)延伸、拓展，讓學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、合作完成實(shí)驗(yàn)、交流實(shí)驗(yàn)成果、得出結(jié)論，再理論聯(lián)系實(shí)際，有利于培養(yǎng)學(xué)生探究能力，觀察、分析、解決實(shí)際問題的能力，這正是當(dāng)今素質(zhì)教育所要求的。3．在探究過程中，學(xué)生會(huì)提出很多方案。用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄的紙帶研究物體