2.5自由落體運動（創(chuàng)新實驗）教學設計高一上學期物理教科版

自由落體運動本節(jié)實驗將從教材分析、課標要求、學情分析、實驗改進與創(chuàng)新、實驗教學目標、實驗教學過程、課后作業(yè)、教學反思八部分進行闡述。教材分析（一）教材主要闡述伽利略對自由落體運動的研究：通過對物體下落快慢影響因素的研究提出自由落體運動概念；進而研究自由落體運動規(guī)律（二）在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，此節(jié)實驗操作存在以下困難研究自由落體運動規(guī)律時：斜面實驗操作難度較大，耗時較長；頻閃照相對實驗設備和實驗環(huán)境要求較高。二、課標要求通過實驗，認識自由落體運動規(guī)律。結合物理學史相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用。了解伽利略研究自由落體運動的實驗和推理方法、了解空氣阻力對落體運動的影響。三、學情分析授課對象為高一學生，通過前面的學習，學生已經(jīng)知道了勻變速直線運動的規(guī)律，為探究自由落體運動規(guī)律奠定了基礎。實驗創(chuàng)新與改進（一）實驗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、兩根80cm的透明亞克力管、自來水、洗衣液、裝有水的塑料瓶（二）實驗數(shù)據(jù)采用Tracker軟件處理分析，操作簡單，實驗結果直觀五、實驗教學目標（一）通過實驗探究，知道自由落體運動的含義（二）了解伽利略研究自由落體運動的實驗和推理方法（三）通過對Tracker軟件的使用，學會應用函數(shù)擬合方法探究物理規(guī)律六、實驗教學過程（一）探究一：探究影響物體下落快慢的因素（1）教師引導，由學生提出猜想。1）教師提供實驗器材：若干張A4紙、直徑為12mm的銅球與鋁球若干個、兩根80cm的透明亞克力管、洗衣液、自來水，見圖1、2、3。圖1A4紙圖2透明亞克力管圖3鋼球和鋁球2）學生分組討論，不斷嘗試實驗，最后提出猜想：物體下落快慢與空氣阻力有關，與物體輕重無關。3）教師展示學生實驗操作過程。（2）教師演示：牛頓管實驗。1）實驗器材：牛頓管、抽氣機，如圖4、5。圖SEQ圖\*ARABIC4牛頓管圖SEQ圖\*ARABIC5抽氣機實驗方案：教師介紹牛頓管的構造；將牛頓管倒置，觀察金屬片與小羽毛的下落快慢情況；對牛頓管抽氣，再將牛頓管倒置，觀察現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象：將牛頓管倒置，觀察到金屬片先落到管口；對牛頓管抽氣，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。實驗結論：物體下落快慢與空氣阻力有關，與物體輕重無關。教師解釋：實際上，將牛頓管抽為真空環(huán)境，也較難實現(xiàn)。現(xiàn)代學者大量的研究也證實了此推斷，如月球實驗，真空環(huán)境實驗等。引出自由落體運動定義。1）只在重力作用下，物體由靜止開始下落的運動稱為自由落體運動。2）教師解釋：生活中的落體運動均是在重力和空氣阻力共同作用下的運動，但當空氣阻力很小可忽略時，且下落高度不是很大時，這樣的落體運動可近似當作自由落體運動。（二）探究二：探究自由落體運動規(guī)律（1）教師提出問題：自由落體運動中，物體下落的速度與時間存在怎樣的關系？物體下落的位移與時間存在怎樣的關系？由學生分組討論并提出猜想。（2）某學生小組提出的猜想：物體下落的位移與時間的平方成正比。此實驗設計難度較大，由教師介紹多種實驗方案，學生分組選擇并進行實驗操作。（3）實驗方案1：伽利略斜槽實驗。伽利略采用了先轉換變通，后合理外推的方法，將豎直方向的自由落體運動，轉換為斜槽上的運動。他讓一個黃銅小球沿著阻力很小、有一定傾角的斜槽上滾下，運動的路程可事先設定，只需測出時間即可。隨后將斜面傾角不斷增大，重復實驗，得出實驗結論。最后合理外推至傾角為90°時，實驗結論應當仍然成立。在伽利略時代，實驗條件和手段都較為原始和簡陋，探究運動規(guī)律實屬不易，因此，伽利略的科學探索精神和實驗設計能力值得我們欽佩和學習。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動規(guī)律，如利用打點計時器的下落運動、頻閃照片等。（4）本堂課將重點介紹實驗方案2：使用Tracker軟件探究自由落體運動規(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，隨后將視頻導入Tracker軟件，運用Tracker對數(shù)據(jù)進行處理分析。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動的視頻，此處選擇塑料水瓶的原因：后續(xù)數(shù)據(jù)處理時，方便確定物體的位置。需要注意的是，錄制時需要盡量使物體豎直下落，并選擇黑板為標尺，用刻度尺測量出黑板的寬度。接下來，我們將錄制的視頻導入Tracker軟件中。首先我們需要選擇塑料水瓶下落的時間段：拖動時間軸，確定下落起始時刻為61，落地時刻為81，此處為每兩幀畫面的時間間隔，系統(tǒng)默認0.033s，我們也可自行設定，此處我們便不更改了。然后選擇定標桿（也就是我們生活中常用的比例尺），輸入定標桿的刻度100cm，再建立坐標系，將坐標原點移至塑料水瓶中心，建立質點A，隨后每隔0.033s追蹤標記質點的位置。（此處，需要我們同時按住shift和ctrl鍵，此時出現(xiàn)這樣的瞄準符號，需要我們注意標記質點位置：1、2、3......20）標記完成后，點擊表格，我們不需要y坐標，因此刪除。剩下質點的x坐標和t軸，其中時間軸作為橫軸，位置坐標作為縱軸。在此處點擊右鍵、分析，此圖像為位置時間關系圖，如圖6。圖6xt圖像此圖像表明位移與時間成正比還是與時間的平方成正比？這需要我們選擇軟件自帶的理論函數(shù)圖像擬合功能，簡而言之，我們可以選擇某種函數(shù)的理論曲線圖與我們實驗所得的實驗曲線圖進行重合比對，重合度越高，代表實驗曲線更接近該函數(shù)圖像。例如，我們點擊線性函數(shù)擬合，此時出現(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)與實驗曲線重合度極低，因此實驗曲線并非線性函數(shù)圖像；我們再選擇拋物線擬合，我們發(fā)現(xiàn)，拋物線曲線與實驗曲線幾乎重合，因此，實驗曲線為拋物線函數(shù)圖像。此為拋物線方程，其中系數(shù)采用科學計數(shù)法，E為10，B、C均為10的1、3次方量級，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間的平方成正比。（5）教師展示學生實驗操作過程、學生實驗報告單，見圖7。圖7學生實驗報告單七、課后作業(yè)基于本堂課的學習，學生自行設計實驗，測量重力加速度的值八、教學反思（一）本節(jié)課采用的科學探究方法是：提出問題、提出猜想、實驗驗證、函數(shù)擬合（二）本節(jié)課的可取之處（1）在教師引導下，學生分組討論，根據(jù)教師所提供的實驗器材，設計實驗、提出猜想，旨在培養(yǎng)學生