高中物理必修1課件第2章勻變速直線運動第5節(jié)自由落體運動第6節(jié)伽利略對自由落體運動的研究

第5節(jié)自由落體運動第6節(jié)伽利略對自由落體運動的研究(教師參考)一、教學(xué)目標(biāo)知識與技能1.理解自由落體運動和物體做自由落體運動的條件2.理解自由落體運動的加速度,知道它的大小和方向3.掌握如何從勻變速直線運動的規(guī)律推出自由落體運動規(guī)律,并能夠運用自由落體規(guī)律解決實際問題4.了解自由落體運動研究的史實,了解邏輯推理的特點,理解任何猜想和假說都必須要有實驗驗證的重要性過程與方法1.引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成進行簡單物理研究習(xí)慣,根據(jù)現(xiàn)象進行合理假設(shè)與猜想的探究方法2.引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析數(shù)據(jù),歸納總結(jié)自由落體的加速度g隨緯度變化的規(guī)律3.數(shù)學(xué)極限思想的進一步運用情感態(tài)度與價值觀1.通過實驗培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力,激發(fā)學(xué)生的探索與創(chuàng)新意識2.培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力和實事求是的科學(xué)態(tài)度,從實際問題中分析規(guī)律二、教學(xué)重點難點教學(xué)重點自由落體運動規(guī)律的理解教學(xué)難點自由落體運動規(guī)律的應(yīng)用三、重難點突破方略探究影響落體運動快慢的因素的突破方略【猜想與假設(shè)】在現(xiàn)實生活中,不同物體的下落快慢在不少情況下是不同的.設(shè)疑1:從蘋果樹上落下的蘋果和飄下的樹葉能一起同時下落嗎?——不能一起同時下落.設(shè)疑2:質(zhì)量大的物體一定比質(zhì)量小的下落得快嗎?你能否證明自己的觀點?——重的物體不一定下落得快,例如跳傘運動員要經(jīng)過很長時間才能落地,而雨滴能很快落地.設(shè)疑3:物體下落過程的運動情況與哪些因素有關(guān)?——與物體的質(zhì)量和空氣阻力有關(guān).【合作探究】

展示:兩張光盤,與光盤面大小相同的硬紙片四張,硬紙片質(zhì)量相等,比光盤的質(zhì)量小.并提問,要求學(xué)生發(fā)表不同觀點.探究1:從同一高度同時釋放兩張硬紙片,它們下落快慢一定相同嗎?請動手驗證你的猜想.學(xué)生1:下落快慢不一定相同;動手驗證:一張硬紙片的平面水平,另一張硬紙片的平面豎直,同時釋放,豎直狀態(tài)的硬紙片先落地.教師講授:物體下落過程的快慢與物體質(zhì)量(輕重)無關(guān).【演示實驗】“牛頓管”的實驗:將羽毛和一分硬幣放入厚玻璃管中,將厚玻璃管兩端封閉,用抽氣機將厚玻璃管內(nèi)空氣抽出,達到一定的真空度時,應(yīng)先關(guān)閉管閥門,然后再停止泵的運轉(zhuǎn).演示1:將羽毛和一分硬幣移到厚玻璃管的同一端,快速豎立厚玻璃管,讓它們同時下落,觀察羽毛和一分硬幣下落快慢情況,提問:在真空中,誰先下落到厚玻璃管的另一端?它們下落時誰快誰慢?學(xué)生:在真空中,它們幾乎同時落到厚玻璃管的另一端,它們下落快慢相同.演示2:打開進氣閥,讓學(xué)生注意聽到進氣的聲音,看羽毛被氣流吹起的現(xiàn)象.將羽毛和一分硬幣移到厚玻璃管的同一端,快速豎立厚玻璃管,讓它們同時下落,觀察羽毛和一分硬幣下落快慢的情況,提問:在空氣中,誰先下落到厚玻璃管的另一端?它們下落時誰快誰慢?學(xué)生:在空氣中,它們的下落快慢差別很大,一分硬幣下落得快,羽毛下落得慢.思考討論:羽毛和一分硬幣在真空中、空氣中下落有很大的差別,影響物體下落快慢的因素是什么?學(xué)生:空氣阻力.教師講授:影響落體運動快慢的因素是空氣阻力的作用,沒有空氣阻力時,只在重力作用下輕重不同的物體下落快慢相同.課堂探究自主學(xué)習(xí)達標(biāo)測評自主學(xué)習(xí)課前預(yù)習(xí)·感悟新知(教師參考)情境鏈接一1969年美國實現(xiàn)登月,這是人類首次登月成功,在這次登月活動中,宇航員在月球上證實了榔頭與羽毛下落得一樣快,月球的引力加速度為1.67m/s2,可是在我們生活的地球上,讓一把榔頭和一根羽毛一起下落,根據(jù)日常生活的經(jīng)驗我們知道,榔頭先落地羽毛后落地,這是什么原因造成的呢?設(shè)想地球上也處于真空狀態(tài),讓我們重復(fù)上述實驗,請猜想一下,會出現(xiàn)什么情況,同樣在地球上讓同一把榔頭分別在赤道和北極的10m高處下落,落地時間相同嗎?原因是什么?信息在月球上由于沒有空氣阻力,所以榔頭和羽毛下落的加速度相同,它們同時落地,但是在地球上,由于有空氣阻力,所以它們下落的加速度就不同了,自然也就不會同時落地.如果地球上也處于真空狀態(tài),它們下落的加速度相同,就會同時落地;在地球上赤道和北極處的重力加速度不同,所以同一把榔頭在這兩個不同地方同一高度下落時,所用的時間不同.情境鏈接二亞里士多德是古代一位偉大的學(xué)者,一位百科全書式的大學(xué)問家,不過他在物理學(xué)中卻錯誤百出,“觀察加直覺”研究方法是亞里士多德物理學(xué)的失敗之所在.伽利略崇尚“實驗加推理”,是第一位創(chuàng)造通過實驗檢驗理論推導(dǎo)的科學(xué)研究方法的科學(xué)家,這種科學(xué)研究方法將物理學(xué)研究推向正確的軌道,從此開始了物理學(xué)的突飛猛進.信息知識就是力量,而學(xué)會認識世界的方法和具備進行科學(xué)研究的能力更加重要.教材梳理一、自由落體運動1.定義:物體只在

作用下從

開始下落的運動.2.運動性質(zhì):初速度為0的

運動.在同一地點,一切物體自由下落的加速度都

.重力靜止勻加速直線相同想一想教材第43頁的“演示”中,為什么物體在真空中下落的情況與在空氣中下落的情況不同?答案:物體在真空中下落只受重力的作用,而在空氣中下落還會受到空氣阻力的影響,所以它們的下落情況不同.二、自由落體加速度1.定義:物體

的加速度.又叫

,通常用g表示.自由下落重力加速度2.方向:

向下.3.大小:在地球上其大小隨地理緯度的增加而

,在

最小,

最大,一般計算中,常取g=9.8m/s2或g=10m/s2.想一想

同一地點重力加速度與物體的質(zhì)量、運動狀態(tài)有關(guān)嗎?答案:無關(guān).豎直增大赤道上兩極處三、自由落體運動規(guī)律勻變速直線運動的

及其

都適用于自由落體運動,但v0=0,a=g.基本公式推論想一想所有初速度為零的勻變速直線運動的規(guī)律是否可以應(yīng)用于自由落體運動?答案:可以.四、伽利略對自由落體運動的研究1.亞里士多德的觀點:物體下落的快慢是由它們的

決定的.2.伽利略的研究(1)伽利略猜想:自由落體運動是一種最簡單的變速運動,其速度應(yīng)是

的.重量均勻變化(2)數(shù)學(xué)推理:伽利略通過數(shù)學(xué)推理得出初速度為零的勻變速直線運動,應(yīng)有x∝

.t2(3)實驗結(jié)果①斜面傾角一定時,小球做

運動.②改變小球的質(zhì)量,只要傾角一定,小球加速度都相同.③增大斜面傾角,小球加速度

.(4)合情推理:將斜面傾角外推到θ=90°——小球自由下落,認為小球仍會做

運動.3.伽利略的科學(xué)方法核心是把

和邏輯推理(包括數(shù)學(xué)演算)和諧地結(jié)合起來.勻加速直線增大勻加速直線實驗議一議

教材第48頁圖2.6-3的四個圖中哪幾個是實驗現(xiàn)象?哪個圖是經(jīng)過合理外推得到的結(jié)論?“沖淡”重力的作用更明顯的是哪個圖的實驗?答案:甲、乙、丙圖是實驗現(xiàn)象,丁圖是經(jīng)過合理外推得到的結(jié)論,運用甲圖的實驗,可“沖淡”重力的作用,使實驗現(xiàn)象更明顯.1.一個鐵釘和一團棉花同時從同一高度下落,兩者同時落地.(

)2.不同質(zhì)量的物體從同一點釋放后做自由落體運動,其運動快慢不同.(

)3.做自由落體運動的物體,下落的高度與時間成正比.(

)4.重力加速度的大小總等于9.8m/s2.(

)5.伽利略通過實驗證明:只要斜面的傾角一定,任何小球從斜面上不同高度滾下的加速度是相同的.(

)思考判斷答案:1.×

2.×

3.×

4.×

5.√要點一課堂探究核心導(dǎo)學(xué)·要點探究【問題導(dǎo)學(xué)】自由落體運動規(guī)律及應(yīng)用物體從靜止開始下落經(jīng)過時間t時的速度v和下落高度h的表達式是怎樣的?答案:由勻變速直線運動規(guī)律得v=gt,h=gt2.【要點歸納】勻變速直線運動的常用基本公式及其推論在自由落體運動中表達式.(1)速度公式:v=gt.(3)速度和位移的關(guān)系式:v2=2gh.(6)連續(xù)相等時間T內(nèi)下落的高度之差:Δh=gT2.(7)初速度為0的勻加速直線運動的幾個比例式對自由落體運動都適用.【例1】(2017·上饒高一檢測)從離地面80m的空中自由落下一個小球,g取10m/s2,求小球:(1)落到地面經(jīng)過的時間;(2)自開始下落計時,在第1s內(nèi)的位移、最后1s內(nèi)的位移.?核心點撥?由x=80m和自由落體加速度,根據(jù)位移公式可直接算出落地時間,根據(jù)運動時間,可算出第1s內(nèi)的位移.最后1s內(nèi)的位移是下落總位移和前(n-1)s下落位移之差.法二:比例法.連續(xù)相等時間內(nèi)位移之比為1∶3∶5…,則h1∶h4=1∶7,得最后1s的位移h4=7h1=7×5m=35m.法三:v-t圖像法.如圖為其運動的v-t圖像,第1s內(nèi)的位移h1由陰影部分的面積求出.答案:(1)4s(2)5m35m規(guī)律方法自由落體運動的處理技巧(1)自由落體運動是勻變速直線運動的特例,分析勻變速直線運動的各種方法對于自由落體運動仍然適用.(2)自由落體運動的中間一段過程的分析方法.①自由落體運動法:從物體下落時開始研究,如求物體下落后第4s內(nèi)的位移,可以用自由落體前4s的位移與前3s的位移的差求得.③靈活選用勻變速直線運動的基本公式及其推論,可使問題的分析、計算收到事半功倍的效果.(教師備用)例1-1:(2017·濰坊高一期中).一個物體從空中A點做自由落體運動,經(jīng)過B點時速度為,物體落到地面C點時速度為v.已知B點離地面的高度h=15m,g取10m/s2,求:(1)物體落到地面C點時的速度v的大小;(2)物體在空中運動的時間t;(3)A點與地面C點的高度H.答案:(1)20m/s

(2)2s

(3)20m針對訓(xùn)練1:(2017·安慶高一期末)研究發(fā)現(xiàn),物體在火星上的落體規(guī)律與在地球上相似,若在火星表面上,做自由落體運動的物體在開始1.0s內(nèi)下落x1=2.0m.(1)火星表面的重力加速度g火是多大?(2)該物體從某高處由靜止開始落下,5s時(未落到火星表面)的速度是多大?(2)由v=g火t,得v=4m/s2×5s=20m/s.答案:(1)4m/s2

(2)20m/s要點二【問題導(dǎo)學(xué)】如圖所示,用手捏住紙帶上端把紙帶拉成豎直狀態(tài),并使重物停在靠近打點計時器處.先接通電源,再松開紙帶讓重物自由下落,打點計時器在紙帶上打下一系列的點.如何根據(jù)紙帶求出重力加速度?測量重力加速度的方法【要點歸納】1.打點計時器法(1)利用如圖所示裝置,讓重錘自由下落打出點跡清晰的紙帶.3.滴水法(1)讓水滴落到墊起來的盤子上,可以清晰地聽到水滴碰盤子的聲音.細心地調(diào)整水龍頭的閥門,使第一個水滴碰到盤子聽到響聲的瞬間,注視到第二個水滴正好從水龍頭滴水處開始下落.(2)聽到某個響聲時開始計時,并數(shù)0,以后每聽到一次響聲,順次加1,直到數(shù)到N,停止計時,表上時間的讀數(shù)是T.(3)用米尺量出水龍頭滴水處到盤子的距離為h.【例2】(2017·鹽城高一檢測)登上月球的宇航員利用頻閃儀(頻率為每秒20次)給自由下落的小球拍照,所拍的頻閃照片如圖所示(圖上所標(biāo)數(shù)據(jù)為小球到達各位置時總的下落高度),則月球表面的重力加速度為多少?(保留兩位有效數(shù)字).?核心點撥?頻閃拍照所拍的頻閃照片,相鄰小球間的時間相等.其間距離為頻閃間隔時間內(nèi)小球的位移.答案:1.6m/s2規(guī)律方法

根據(jù)實驗求重力加速度的幾種方法(4)利用多次求得的瞬時速度,畫出v-t圖像,根據(jù)圖線的斜率求得g.(教師備用)例2-1:如圖所示,將打點計時器固定在鐵架臺上,使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落,利用此裝置可以測量重力加速度.(1)所需器材有打點計時器(帶導(dǎo)線)、紙帶、復(fù)寫紙、帶鐵夾的鐵架臺和帶夾子的重物,此外還需

中的器材.(填字母代號)

A.直流電源、天平及砝碼B.直流電源、毫米刻度尺C.交流電源、天平及砝碼D.交流電源、毫米刻度尺解析:(1)本實驗不需要測量重物的質(zhì)量,直接通過測量紙帶記錄“點”間的距離,利用勻變速直線運動的規(guī)律即可求得重力加速度.故還需要低壓交流電源和刻度尺,選項D正確.答案:(1)D

(2)通過作圖像的方法可以剔除偶然誤差較大的數(shù)據(jù),提高實驗的準(zhǔn)確程度.為使圖線的傾斜程度(斜率)等于重力加速度,除作v-t圖像外,還可作

圖像,其縱軸表示的是

,橫軸表示的是

.

解析:(1)刻度尺讀數(shù)要估讀到下一位,該同學(xué)所用刻度尺最小刻度為1cm,故讀數(shù)為45.0cm,選項B正確.針對訓(xùn)練2:有同學(xué)設(shè)計了一種能測量人的反應(yīng)時間的直尺,其原理簡化如下,甲同學(xué)手持直尺上端A,乙同學(xué)手放在直尺最下端0刻度線B處,當(dāng)乙同學(xué)發(fā)現(xiàn)甲同學(xué)釋放直尺時立即握緊自己的手,抓住下落的直尺,此過程中乙同學(xué)的手在豎直方向不移動.(重力加速度取g=10m/s2,刻度尺單位為cm).(1)若該同學(xué)所用刻度尺最小刻度為1cm,如圖所示的讀數(shù)近似為

.

.

A.45cm B.45.0cm C.45.00cm答案:(1)B(2)根據(jù)以上讀數(shù),該同學(xué)在這次實驗中的反應(yīng)時間為

.

(3)若將這把尺進行反應(yīng)時間標(biāo)度,應(yīng)當(dāng)從

端向

端由小到大標(biāo)度反應(yīng)時間(選填“A”或“B”).

答案:(2)0.3s

(3)B

A(4)反應(yīng)時間尺刻度值是否均勻?

(選填“是”或“否”).

答案:(4)否(教師參考)【教材探究】P43“說一說”中為什么物體在真空中下落的情況與在空氣中下落的情況不同?關(guān)于這個問題,你有什么假設(shè)或猜想?答案:物體在空氣中下落時,除受重力作用外,還受空氣阻力作用,特別是較輕小的物體,受重力較小.相對而言,它受的空氣阻力的影響是不能忽略的,故在空氣中下落的物體,由于它們輕、重的不同,空氣阻力的影響也不相同,故下落的快慢也不相同;而在真空中下落時,物體只受重力作用.可能會猜想物體下落的快慢跟物體的重力大小有關(guān),或跟物體的質(zhì)量大小有關(guān),然而通過實驗卻發(fā)現(xiàn):在真空中的所有物體做自由落體運動時,它們的快慢都相同,跟它們的輕重沒有關(guān)系,原因是它們在下落過程中都有相同的加速度——自由落體加速度.達標(biāo)測評隨堂演練·檢測效果1.(2017·陜西寶雞高一檢測)在學(xué)習(xí)物理知識的同時,還應(yīng)當(dāng)十分注意學(xué)習(xí)物理學(xué)研究問題的思想和方法,從一定意義上說,后一點甚至更重要.偉大的物理學(xué)家伽利略的研究方法對于后來的科學(xué)研究具有重大的啟蒙作用,至今仍然具有重要意義.請你回顧伽利略探究物體下落規(guī)律的過程,判定下列哪個過程是伽利略的探究過程(

)A.猜想—問題—數(shù)學(xué)推理—實驗驗證—合理外推—得出結(jié)論B.問題—猜想—實驗驗證—數(shù)學(xué)推理—合理外推—得出結(jié)論C.問題—猜想—數(shù)學(xué)推理—實驗驗證—合理外推—得出結(jié)論D.猜想—問題—實驗驗證—數(shù)學(xué)推理—合理外推—得出結(jié)論C解析:伽利略探究物體下落規(guī)律的過程是:先對亞里士多德對落體運動的觀察得出的結(jié)論提出質(zhì)疑——大小石塊捆在一起下落得出矛盾的結(jié)論;猜想——下落的運動是最簡單的運動,速度與時間成正比;數(shù)學(xué)推理——如果v∝t,則有h∝t2;實驗驗證——設(shè)計出斜面實驗并進行研究,得出阻力很小的斜面上滑下的銅球的規(guī)律h∝t2;合理外推——將斜面上滑下的物體的規(guī)律h∝t2推廣到落體運動.選項C正確.2.(2017·西安高一檢測)伽利略為了研究自由落體的規(guī)律,將落體實驗轉(zhuǎn)化為著名的沿斜面運動的實驗,當(dāng)時利用斜面做實驗主要是考慮到(

)A.實驗時便于測量小球運動的速度B.實驗時便于測量小球運動的路程C.實驗時便于測量小球運動的時間D.實驗時便于測量小球運動的加速度C解析:伽利略最初假設(shè)自由落體運動的速度是隨著時間均勻增大,但是他所在的那個時代還無法直接測定物體的瞬時速度、加速度.伽利略通過數(shù)學(xué)運算得到結(jié)論:如果物體的初速度為零,而且速度隨時間的變化是均勻的,那么它通過的位移與所用的時間的二次方成正比,即x∝t2.這樣,只要測出物體通過不同位移所用的時間,就可以檢驗這個物體的速度是否隨時間均勻變化.但是物體下落很快,當(dāng)時只能靠滴水計時,這樣的計時工具還不能測量自由落體運動所用的較短的時間.伽利略采用了一個巧妙的方法,用來“沖淡”重力.他讓銅球沿阻力很小的斜面滾下,小球在斜面上運動的加速度要比它豎直下落的加速度小得多,所用時間長,解決了時間測量的難題,選項A,B,D錯誤,C正確.3.(2017·無錫高一期末)(多選)一根輕質(zhì)細線將2個薄鐵墊片A,B連接起來,一同學(xué)用手固定B,此時A,B間距為3l,A距地面為l,如圖所示.由靜止釋放A,B,不計空氣阻力,且A,B落地后均不再彈起.從釋放開始到A落地歷時t1,A落地時的瞬時速率為v1,從A落地到B落在A上歷時t