2.5自由落體運(yùn)動(dòng)（創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)）教學(xué)設(shè)計(jì)高一上學(xué)期物理教科版

自由落體運(yùn)動(dòng)本節(jié)實(shí)驗(yàn)將從教材分析、課標(biāo)要求、學(xué)情分析、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程、課后作業(yè)、教學(xué)反思八部分進(jìn)行闡述。教材分析（一）教材主要闡述伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究：通過(guò)對(duì)物體下落快慢影響因素的研究提出自由落體運(yùn)動(dòng)概念；進(jìn)而研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律（二）在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，此節(jié)實(shí)驗(yàn)操作存在以下困難研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)：斜面實(shí)驗(yàn)操作難度較大，耗時(shí)較長(zhǎng)；頻閃照相對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高。二、課標(biāo)要求通過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)合物理學(xué)史相關(guān)內(nèi)容，認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理在物理學(xué)研究中的作用。了解伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)和推理方法、了解空氣阻力對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的影響。三、學(xué)情分析授課對(duì)象為高一學(xué)生，通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，為探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)（一）實(shí)驗(yàn)器材大多從生活中取材：A4紙、直徑為12mm的銅球與鋁球若干個(gè)、兩根80cm的透明亞克力管、自來(lái)水、洗衣液、裝有水的塑料瓶（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Tracker軟件處理分析，操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)（一）通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，知道自由落體運(yùn)動(dòng)的含義（二）了解伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)和推理方法（三）通過(guò)對(duì)Tracker軟件的使用，學(xué)會(huì)應(yīng)用函數(shù)擬合方法探究物理規(guī)律六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程（一）探究一：探究影響物體下落快慢的因素（1）教師引導(dǎo)，由學(xué)生提出猜想。1）教師提供實(shí)驗(yàn)器材：若干張A4紙、直徑為12mm的銅球與鋁球若干個(gè)、兩根80cm的透明亞克力管、洗衣液、自來(lái)水，見(jiàn)圖1、2、3。圖1A4紙圖2透明亞克力管圖3鋼球和鋁球2）學(xué)生分組討論，不斷嘗試實(shí)驗(yàn)，最后提出猜想：物體下落快慢與空氣阻力有關(guān)，與物體輕重?zé)o關(guān)。3）教師展示學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。（2）教師演示：牛頓管實(shí)驗(yàn)。1）實(shí)驗(yàn)器材：牛頓管、抽氣機(jī)，如圖4、5。圖SEQ圖\*ARABIC4牛頓管圖SEQ圖\*ARABIC5抽氣機(jī)實(shí)驗(yàn)方案：教師介紹牛頓管的構(gòu)造；將牛頓管倒置，觀察金屬片與小羽毛的下落快慢情況；對(duì)牛頓管抽氣，再將牛頓管倒置，觀察現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將牛頓管倒置，觀察到金屬片先落到管口；對(duì)牛頓管抽氣，再將牛頓管倒置，觀察到金屬片與小羽毛下落快慢更為接近了。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：物體下落快慢與空氣阻力有關(guān)，與物體輕重?zé)o關(guān)。教師解釋：實(shí)際上，將牛頓管抽為真空環(huán)境，也較難實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代學(xué)者大量的研究也證實(shí)了此推斷，如月球?qū)嶒?yàn)，真空環(huán)境實(shí)驗(yàn)等。引出自由落體運(yùn)動(dòng)定義。1）只在重力作用下，物體由靜止開(kāi)始下落的運(yùn)動(dòng)稱為自由落體運(yùn)動(dòng)。2）教師解釋：生活中的落體運(yùn)動(dòng)均是在重力和空氣阻力共同作用下的運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)空氣阻力很小可忽略時(shí)，且下落高度不是很大時(shí)，這樣的落體運(yùn)動(dòng)可近似當(dāng)作自由落體運(yùn)動(dòng)。（二）探究二：探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律（1）教師提出問(wèn)題：自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體下落的速度與時(shí)間存在怎樣的關(guān)系？物體下落的位移與時(shí)間存在怎樣的關(guān)系？由學(xué)生分組討論并提出猜想。（2）某學(xué)生小組提出的猜想：物體下落的位移與時(shí)間的平方成正比。此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)難度較大，由教師介紹多種實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生分組選擇并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。（3）實(shí)驗(yàn)方案1：伽利略斜槽實(shí)驗(yàn)。伽利略采用了先轉(zhuǎn)換變通，后合理外推的方法，將豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為斜槽上的運(yùn)動(dòng)。他讓一個(gè)黃銅小球沿著阻力很小、有一定傾角的斜槽上滾下，運(yùn)動(dòng)的路程可事先設(shè)定，只需測(cè)出時(shí)間即可。隨后將斜面傾角不斷增大，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。最后合理外推至傾角為90°時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論應(yīng)當(dāng)仍然成立。在伽利略時(shí)代，實(shí)驗(yàn)條件和手段都較為原始和簡(jiǎn)陋，探究運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)屬不易，因此，伽利略的科學(xué)探索精神和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力值得我們欽佩和學(xué)習(xí)。在現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展的今天，我們已有許多方法可以探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的下落運(yùn)動(dòng)、頻閃照片等。（4）本堂課將重點(diǎn)介紹實(shí)驗(yàn)方案2：使用Tracker軟件探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。將裝有水的塑料瓶置于一定高度，靜止釋放，并錄制視頻，隨后將視頻導(dǎo)入Tracker軟件，運(yùn)用Tracker對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。首先，我們需要先用錄制一段裝有水的塑料瓶近似做自由落體運(yùn)動(dòng)的視頻，此處選擇塑料水瓶的原因：后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)，方便確定物體的位置。需要注意的是，錄制時(shí)需要盡量使物體豎直下落，并選擇黑板為標(biāo)尺，用刻度尺測(cè)量出黑板的寬度。接下來(lái)，我們將錄制的視頻導(dǎo)入Tracker軟件中。首先我們需要選擇塑料水瓶下落的時(shí)間段：拖動(dòng)時(shí)間軸，確定下落起始時(shí)刻為61，落地時(shí)刻為81，此處為每?jī)蓭嬅娴臅r(shí)間間隔，系統(tǒng)默認(rèn)0.033s，我們也可自行設(shè)定，此處我們便不更改了。然后選擇定標(biāo)桿（也就是我們生活中常用的比例尺），輸入定標(biāo)桿的刻度100cm，再建立坐標(biāo)系，將坐標(biāo)原點(diǎn)移至塑料水瓶中心，建立質(zhì)點(diǎn)A，隨后每隔0.033s追蹤標(biāo)記質(zhì)點(diǎn)的位置。（此處，需要我們同時(shí)按住shift和ctrl鍵，此時(shí)出現(xiàn)這樣的瞄準(zhǔn)符號(hào)，需要我們注意標(biāo)記質(zhì)點(diǎn)位置：1、2、3......20）標(biāo)記完成后，點(diǎn)擊表格，我們不需要y坐標(biāo)，因此刪除。剩下質(zhì)點(diǎn)的x坐標(biāo)和t軸，其中時(shí)間軸作為橫軸，位置坐標(biāo)作為縱軸。在此處點(diǎn)擊右鍵、分析，此圖像為位置時(shí)間關(guān)系圖，如圖6。圖6xt圖像此圖像表明位移與時(shí)間成正比還是與時(shí)間的平方成正比？這需要我們選擇軟件自帶的理論函數(shù)圖像擬合功能，簡(jiǎn)而言之，我們可以選擇某種函數(shù)的理論曲線圖與我們實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)驗(yàn)曲線圖進(jìn)行重合比對(duì)，重合度越高，代表實(shí)驗(yàn)曲線更接近該函數(shù)圖像。例如，我們點(diǎn)擊線性函數(shù)擬合，此時(shí)出現(xiàn)一條傾斜直線，為了更好區(qū)分，我們將直線顏色選為黑色，我們發(fā)現(xiàn)，線性函數(shù)與實(shí)驗(yàn)曲線重合度極低，因此實(shí)驗(yàn)曲線并非線性函數(shù)圖像；我們?cè)龠x擇拋物線擬合，我們發(fā)現(xiàn)，拋物線曲線與實(shí)驗(yàn)曲線幾乎重合，因此，實(shí)驗(yàn)曲線為拋物線函數(shù)圖像。此為拋物線方程，其中系數(shù)采用科學(xué)計(jì)數(shù)法，E為10，B、C均為10的1、3次方量級(jí)，幾乎可忽略，因此拋物線函數(shù)方程變?yōu)榱藊=At2，物體下落的位移與時(shí)間的平方成正比。（5）教師展示學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程、學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告單，見(jiàn)圖7。圖7學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告單七、課后作業(yè)基于本堂課的學(xué)習(xí)，學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量重力加速度的值八、教學(xué)反思（一）本節(jié)課采用的科學(xué)探究方法是：提出問(wèn)題、提出猜想、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、函數(shù)擬合（二）本節(jié)課的可取之處（1）在教師引導(dǎo)下，學(xué)生分組討論，根據(jù)教師所提供的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、提出猜想，旨在培養(yǎng)學(xué)生