高中物理人教版第二章勻變速直線運動的研究5自由落體運動 全國一等獎

《自由落體運動》教學設計【學習任務分析】本節(jié)內(nèi)容是對前幾節(jié)運動學的知識和研究方法的應用和提升。通過演示實驗和學生合作實驗，分析得出自由落體運動的性質(zhì)，明確重力加速度的意義，不僅使學生對自由落體運動規(guī)律有具體、深入的認識和規(guī)律在實際問題中的應用，而且使學生在獨立獲取物理知識、探究物理規(guī)律、解決物理問題等方面獲得具體的成果，體驗科學研究的方法，讓學生得到成功的體驗，享受成功的愉悅，激發(fā)學習的熱情和責任感。本節(jié)教學的重點在于引導學生思考研究自由落體運動的實驗原理和方法，特別是利用打點計時器記錄運動軌跡和時間的方法及實驗數(shù)據(jù)處理、結(jié)論得出、誤差分析等實驗方法。本節(jié)教學的難點在于實驗探究的思路、方法?！緦W習者分析】學生前面已認識描述運動的基本物理量──位移、路程、速度、加速度，掌握勻變速直線運動的規(guī)律，并且通過對以上問題的研究，已體會到物理學研究問題的一些方法，如運用理想模型和數(shù)學方法（圖象、公式），以及測加速度、處理實驗數(shù)據(jù)等方法。【教學目標】1．通過觀察演示實驗概括出自由落體運動的條件，滲透物理方法，從而培養(yǎng)學生的觀察、概括、科學抽象能力。2．通過學生的合作實驗研究自由落體運動的規(guī)律，領會科學探究方法（提出問題、猜想假設、設計實驗方案、分析實驗數(shù)據(jù)、總結(jié)交流結(jié)論成果），理解自由落體運動的實質(zhì)是加速度為g的勻加速直線運動。3．歸納出自由落體加速度的大小和方向，會判別不同地點重力加速度的大小。4．運用理想化方法，通過比較重力與空氣阻力的大小，將實際問題轉(zhuǎn)化為自由落體問題。5．會運用勻變速直線運動的規(guī)律解決自由落體的問題，激發(fā)學生探究科學的熱情，增強學生將物理知識應用于生活和生產(chǎn)的意識?！窘虒W過程設計】讓學生利用已有的知識和方法，經(jīng)歷科學探究的過程，培養(yǎng)科學探究能力，體現(xiàn)物理學是以實驗為基礎這一特點，具體設計思路流程如右圖。虛線框內(nèi)為探究過程?！窘虒W過程】一、通過演示實驗，引出要探究的問題1．概括落體運動是豎直向下的直線運動(1)懸掛在鐵架臺上的小球，它受到幾個力的作用？（重力、懸線拉力）演示1：用火將懸線燒斷，引導學生觀察小球的運動。（學生觀察到：小球在重力作用下，沿豎直方向作直線運動。）(2)落體運動是最常見的一種運動演示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動。（過渡：這節(jié)課，我們就來學習一種特殊的下落運動。）（板書：自由落體運動。）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、等高、無初速下落。（學生觀察到：重的鐵片先落地。）(2)得出“物體越重下落越快”的結(jié)論。觀點是否正確呢？你能否設計實驗證明你的觀點？（激發(fā)學生思考）(3)讓學生上講臺演示其設計的實驗，并說明其觀點。學生演示：較重的鐵紙片和輕小紙團同時、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。（學生觀察到：輕小紙團比較重的鐵片下落快，或鐵片和紙片一樣快。）(4)引導學生得出正確結(jié)論①根據(jù)前面的實驗和分析，同學們猜想一下，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驗現(xiàn)象呢？（生：空氣阻力影響了物體下落的快慢。）③同學們猜想一下，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：1971年美國宇航員斯科特在月球上讓一把錘子和一根羽毛同時下落，觀察到它們同時落到月球表面。演示5：錢羽管實驗（學生觀察到：在抽去空氣的錢羽管內(nèi)，輕重不同的鐵片、羽毛同時落下。）結(jié)論：在沒有空氣阻力時，物體下落的快慢跟物體重力無關(guān)。我們把這樣的運動稱為自由落體運動。（板書：定義：物體只在重力作用下，由靜止開始的下落運動叫自由落體運動。）(5)在日常生活中，我們平時見到的落體運動由于大氣層的存在，自由落體運動是一種理想運動，但掌握了這種理想運動的規(guī)律，也就為研究實際運動打下了基礎。當空氣阻力不太大，與重力相比較可以忽略時，實際的落體運動可以近似地當作自由落體運動。（讓學生體會自由落體運動有著普遍的意義和現(xiàn)代科技的發(fā)展與人類科學探究進程的關(guān)系。）演示6：體積相同的小木球和小鐵球同時、同高、無初速落下。（學生觀察到：兩球幾乎同時落地。）結(jié)論：（板書：自由落體運動的條件：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。）（說明：讓學生思考、討論，明確空氣阻力使下落物體的運動表現(xiàn)得很復雜，科學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動。在這樣的學習中，學生不僅可以提高觀察與推理的能力，而且會逐漸形成觀察與思考的習慣。）（過渡：人們根據(jù)簡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，應當用科學實驗對它們進行檢驗。）二、探索研究過程1．提出問題(1)那么自由落體運動是什么性質(zhì)的運動呢？（生：（部分）是勻變速直線運動。）如是，怎樣通過實驗驗證？(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(l)落體運動既然是自然界最常見、最普遍的一種運動，那么其中必然蘊藏著最簡單的規(guī)律。(2)方法教育：大物理學家們對猜想假設的理解。一旦科學插上幻想的翅膀，它就能贏得勝利。──法拉第（英國）沒有大膽的猜測就作不出偉大的發(fā)現(xiàn)。──牛頓（英國）(3)讓學生大膽猜想自由落體運動是一種最簡單的一種變速運動──初速度為零的勻加速直線運動。(4)怎樣研究物體運動的規(guī)律？對于初速度為零的勻加速直線運動，加速度為常量，物體運動的位移s、時間t、速度v之間存在如下關(guān)系：3．設計實驗方案（教師引導，學生通過學生分組合作討論，提出設計方案。）方案一：用打點計時器記錄的紙帶研究物體的自由落體運動設計原理：設計要求：(1)如何提高本實驗的準確度？(2)完成實驗后，對紙帶進行分析，如何判斷其是勻變速運動？(3)如何利用實驗來說明不同物體的自由落體運動規(guī)律相同？設計思路：用打點計時器研究物體的運動時，為提高實驗的準確度，應從減少阻力、正確安裝器材及操作步驟合理等入手。打點計時器最大的特點就是每打兩點的時間間隔相等，它直接記錄下的實際是物體在連續(xù)相等時間間隔內(nèi)的位移，通過研究這些位移，看連續(xù)相等時間間隔內(nèi)的位移差△s是否相等，從而得知物體的運動性質(zhì)。設計結(jié)果：(1)由自由落體運動的定義知，要提高實驗的準確度，應該從盡量減少阻力入手。具體辦法是：整個裝置應豎直（如圖所示），紙帶應平行于打點計時器的限位孔，先打點后放手等。(2)從相鄰兩點間的距離可看出，物體越往下落，相同時間間隔內(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，并量出相鄰各點間的距離。分組實驗：按設計要求操作實驗，進行分組實驗時，同組實驗者要求相互合作。各組實驗時所用的重物質(zhì)量、形狀各不相同。（說明：學生可能會根據(jù)勻變速運動的特點會提出多種方案，以下方案的設計老師要給予肯定，有條件的可以根據(jù)實際條件進行教師課堂演示，沒條件的可以用光電門替代，作為學生課外研究性課題。）方案二：利用找出落體物體的速度與時間的關(guān)系測速度隨時間變化的關(guān)系方案三：利用找出落體物體的位移與時間的關(guān)系測位移隨時間變化的關(guān)系設計原理：v-t圖s-t圖設計思路：利用儀器測出v、s、t各量設計結(jié)果：通過描點作圖，得出圖象對應的規(guī)律。（說明：教師對以上幾種方案進行評價，特別對于方案一要著重分析引導，有利于養(yǎng)成良好的實驗習慣。對于方案二、三教師先給予肯定，利用大屏幕投影進行演示。給學生介紹隨現(xiàn)代科技的發(fā)展，有一種儀器(如圖)利用LoggerPro軟件自動識別連接在Lab-Pro上的運動傳感器，能直接讀出自由下落物體的速度和位移，不僅會大大縮短實驗時間，而且能解決處理數(shù)據(jù)時遇到的如何計算速度這一難題。）4．分析實驗數(shù)據(jù)方案一：利用量出的SAB、SBC、SCD算出△s，看是否在實驗誤差范圍內(nèi)相等。若是相等，利用△s=aT2計算出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：利用各組實驗數(shù)據(jù)分析，進行交流，判斷得出結(jié)論是否相同？算出的口是否相等？進行交流后，發(fā)現(xiàn)不同物體所做的試驗結(jié)論都相差不大，都在9．5m/s2左右，在實驗誤差范圍內(nèi)可以認為相同。方案二、三：利用loggerPro軟件對圖象進行擬合后，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動，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)運動性質(zhì)：初速度為零的勻變速直線運動?！げ煌亓康奈矬w加速度相同；這個加速度稱為重力加速度?！ぜ铀俣鹊拇笮椋篲___（學生由實驗中測量的值）。板書：(2)自由落體的加速度──重力加速度g在同一地點，一切物體做自由落體的加速度都相同。強調(diào)：“在同一地點”。就是說，在不同的地點，物體自由落體的加速度不同。（教師介紹精確實驗測定的北極9．832m/s2、北京9．801m/s2、長沙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??；越靠近兩極，重力加速度的值越大。并給出一般取值。）板書：通常計算中，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，選擇實驗方案，分析實驗數(shù)據(jù)、總結(jié)交流結(jié)論成果，是科學探究的重要途徑。三、應用1．閃光照片現(xiàn)代科學發(fā)展為我們研究自由落體運動的性質(zhì)提供了更為科學的手段，請同學們看彩圖，彩圖是自由落體的小球的閃光照片按比例的縮小圖。（簡介閃光照相）照片上相鄰的球是相隔1/30秒的時間拍攝的，請大家用刻度尺測相鄰的每兩個球之間的距離S，在計算出相鄰每兩段的位移差，看是否是恒量？（生：（測量、計算）是恒量，說明自由落體運動是勻變速直線運動。）2．能否找出剛才紙帶上所打的第一個點嗎？（利用只要距第二個點約為2mm的點）3．為了測出井口到井里水面的深度，身邊沒有尺子，但有一秒表，如何粗略測量其深度?？勺屢粋€小石塊從井口下落，若測得經(jīng)2s鐘聽到石塊落到水面的聲音，求井口到水面的大約深。（不計聲音傳播的時間）(19．6米)小結(jié)：從這題中可以看到應用自由落體運動規(guī)律，我們可以把長度測量問題轉(zhuǎn)換為時間測量問題。這是物理學研究中常用的測量轉(zhuǎn)換方法。4．（參見教科書44頁做一做）測定反應時間：測人的反應時間，一個人從發(fā)現(xiàn)情況到采取相應行動經(jīng)過的時間叫反應時間。可以用下面方法測定：請一位同學用兩個手指捏住木尺頂端，請你拳起一只手的手指在木尺的下部，作握尺的準備，但手的任何部位都不要碰到木尺，當看到那位同學放手時，你立即握木尺，測出木尺下降的高度，就可以用自由落體規(guī)律求出反應時間。假設測得某人握住木尺時，木尺下降了20cm，求該人的反應時間。5．測量“傻瓜”照相機曝光時間（參見書44頁做一做）總結(jié)：運動規(guī)律：公式：【板書設計】【教學后記】1．通過演示實驗，激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生的觀察、概括、科學抽象能力。教學時，教學過程的第一部分（通過演示實驗，引出要探究的問題）可以適當緊湊些，盡量縮短教學時間。研究物體下落快慢的因素分析時，盡量激發(fā)學生思考，利用已有的實驗器材（紙片、鐵片），放手讓學生上講臺來演示，這不僅激發(fā)學生學習興趣，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動、加速度為g；同時“讓學生經(jīng)歷科學探究的過程，培養(yǎng)科學探究能力”的精神。最后，自由落體運動規(guī)律的得出及應用等知識也就水到渠成。因此，對課本知識的適當延伸、拓展，讓學生經(jīng)歷設計實驗、合作完成實驗、交流實驗成果、得出結(jié)論，再理論聯(lián)系實際，有利于培養(yǎng)學生探究能力，觀察、分析、解決實際問題的能力，這正是當今素質(zhì)教育所要求的。3．在探究過程中，學生會提出很多方案。用打點計時器記錄的紙帶研究物體