1、比赛教案/自由落体运动xiaoqiang 2007-3-17 11:14:00笔者说明：2004 年，山东、宁夏、广东、海南 4 省区作为全国高中新课程改革的首批实验区进入实验， 2007 年秋季高中新课程改革将在全国全面展开。笔者根据新一轮的高中物理 课改的要求， 设计了自由落体运动的教案，参加了湖北省2006 年 9 月在湖北十堰举行的青年教师优质课竞赛，得到了评委和听课教师的好评， 获得一等奖第一名。现将教案介绍如下“自由落体运动”探究式教学设计刘万强松滋市第一中学 ， 湖北 荆州 434200【教学目标】知识与技能理解自由落体运动的定义和性质了解重力加速度掌握自由落体规律并能简单应用过
2、程与方法培养学生实验观察能力，分析归纳总结能力领略抓主要矛盾、猜想-验证-小结，定性到定量等物理思想方法教育经历自由落体运动定义的引入和性质的得到过程，获得探究活动的体验情感态度与价值观体验探究自然规律的艰辛与喜悦，培养勤于探索，勇于创新的科学态度感悟理论与实际的关系，激发学生的求知欲望学会合作与分享【教学重难点】重点：认识自由落体运动的性质，理解什么是自由落体运动难点：探究自由落体运动的模型【教学用具】牛顿管，抽气机，自制木尺（背面有对应的反应时间），钢球，纸片，剪刀，多媒体课件，自由落体实验仪（带钢球和光电门），存贮式计时器【教学过程】（一）引入：做游戏-测反应时间1.提出问题：同学们的反
3、应一定很快，想知道你们的反应快慢吗？下面我们来做一个游戏。2.介绍规则：教师用手握住尺的上端，使尺处于竖直状态，上来的同学用拇指和食指放在尺的下部，做捏住它的准备，当看到教师松手的动作后，立即用手指捏。3.师生合作：师生合作完成游戏，学生告诉大家捏住的刻度，教师宣布反应时间。4.激疑引入：怎样得到反应时间呢？为了了解其中的奥秘，本次课我们来研究尺子下落的运动-自由落体运动（二）认识模型引导其实，现实生活中的落体运动处处可见，它们是否就是我们今天要研究的自由落体运动呢？下面我们来观察几组物体下落的实验。1.几组实验实验 1：钢球与纸片实验（1）操作：钢球与纸片从同一高度由静止同时下落（2）现象：
4、钢球先落地（3）结论：重的物体下落得快引导这个结论是否具有普遍性呢？带着这个问题继续观察。实验 2：纸片和纸团实验（1）操作：取相同两张纸，将其中一张剪去一半，并揉成纸团，让纸团与纸片同时同高度由静止下落（2）现象：纸团先落地（3）结论：轻的物体下落得快（4）分析：纸片比铁片和纸团下落的慢是因为纸片受到空气的阻力作用比较大显然，空气的存在影响了它们的运动。引导显然，空气的存在影响了它们的运动。如果没有空气，情况又会怎样？我们设计一个没有空气的环境再次实验。实验 3：牛顿管实验（1）操作：将铁片和羽毛片置入牛顿管中，用抽气机对牛顿管抽气，几分钟后密封。让铁片和羽毛片同一高度由静止同时释放，观察，
5、实验前请大家猜想。（2）现象：同时落到另一端（3）结论：快慢相同（4）介绍：美国宇航员斯科特的月球实验：将一把重锤和一片羽毛同时同高度由静止释放，结果同时落地。2.物理学史：历史上对这一问题的认识过程与我们今天的研究差不多。早在 2000 多年前，亚里士多德通过对生活的观察和思考，得到了实验一的结论，到了 17 世纪，意大利的物理学家伽利略通过巧妙的推理，揭示了亚里士多德观点的片面性，还当众在著名的比萨斜塔上做了一个实验：轻重不同的两个铁球同时落地。（展示两副多媒体图片，一副是亚里士多德观点和伽利略观点对比图片，另一副是伽利略的比萨斜塔落体实验图片）3.定义与条件（1）定义：物体只在重力作用下
6、由静止开始下落的运动。（2）条件：物体只受重力，初速度为零（要求学生通过找关键词的办法，说出自由落体运动的必备条件）引导在现实生活中，空气普遍存在，空气阻力普遍存在，强调只受重力的自由落体运动是理想化的物理模型。如果当空气阻力作用远远小于重力时，空气阻力作用对物体的运动影响很小，就可以忽略阻力。这正是物理学中一种非常重要的思想和方法，那就是往往抓住问题的主要因素，忽略问题的次要因素。因此，钢球的运动可以看成自由落体运动，而纸片的运动就不能看成自由落体运动。总结得到自由落体运动的近似条件：F 阻 mg。（3）理解：理想化的物理模型 近似条件：空气阻力作用远远小于重力（4）举例说明：树上果实、衣物
7、水滴等的自由下落（三）研究性质这种运动在现实生活中相当普遍，那么自由落体运动究竟是一种什么性质的运动？遵循什么样的规律？我们以钢球为研究对象，下面来做实验 1.定性观察让钢球由静止开始下落，从运动的角度观察，学生找有哪些特点？学生很容易得到：直线运动，初速为零，加速等结论。引导是否是匀加速直线运动呢？定性观察无法回答这个问题，需要重新设计实验方案定量来研究。学生设计了许多方案并展示：用 s=aT 2判断，用 s=at2/2 研究，用 v=at 研究等等。引导由于时间关系，我们将利用自由落体实验仪（天津科教仪器厂生产）来研究速度 v 与时间 t 的关系。2.定量探究（1）装置与原理介绍：自由落体
8、实验仪介绍，v、t 怎样测量？问题一：如何测定运动时间，使用什么测量工具？将计时器的选择开关扳到“同步”，让电磁吸球器断电，同时钢球开始下落计时器同步计时，到钢球通过研究位置处的光电门计时结束，这样得到运动时间 t，从计时器的显示屏上读出数据，可以读到 1/1000s。问题二：如何测量某位置的瞬时速度？是不是使用了速度计？瞬时速度通过平均速度来解决，我们知道当物体通过一段很小位移所需要的时间很短，这段时间的平均速度就近似等于瞬时速度。实验中，把两个光电门用橡皮筋捆绑在一起，测得两个光孔的竖直距离 l 很小，只有 22mm，将它们固定在竖直立柱的研究位置上，将计时器的选择开关扳到“光控”，当钢球
9、下落通过第一个光电门计时器开始计时，到钢球通过第二个光电门计时结束，在计时器的显示屏上读出通过两个光电门的时间间隔 t （通常只有几毫秒到十几毫秒）。应用公式 v=l/t ，可得某研究位置的瞬时速度 v。实验过程中，一般要选择 4 个位置研究，这样就需要让小球下落 8 次。（2）操作与数据记录：开始实验，请三名学生分工合 作完成，一位调整仪器进行操作，一位读数，另一位将数据输入到电 脑中数据表格内。下面的同学及时记录数据，并计算出四个位置的瞬时 速度。数据表格：光电门 1、2 的距离 l=22mm次数 1 2 3 4运动时间tn/s通过光电门1、2 的时间t n/ms瞬时速度v/ms-1 （3
10、）数据处理与分析：为了节省时间和增强直观性，设计了多媒体课件，电脑可以计算四个位置的瞬时速度，并依次完成建立直角坐标系，描点与绘图。 结论：速度图象是一条过原点的倾斜直线0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.61 2654321t/ sv/ms-13.小结性质：初速为零的匀加速直线运动4.物理学史：介绍伽利略的研究情况，早在 300 多年前，伽利略就仔细研究了这一问题，得到了相同的结论。课本中是以阅读材料的形式专门介绍了他的研究情况，希望同学们课后认真阅读这篇闪烁着智慧火花的材料，体会伽利略在研究过程中的“提出假说，数学推理，实验验证，合理外推”的科学思想方法，他的这些思想方法对近代
11、物理学的发展产生了深刻的影响。5.运动规律： vt=at h=at2/2过渡在 vt=at h=at2/2 规律中，加速度 a 还不清楚，这是我们今天要研究的第三个问题。（四）研究加速度 1. 同一地点，不同物体下落的加速度是否相同？回到牛顿管实验，学生重温电脑模拟动画，通过观察分析得出：两物体下落的时间 t 相同，位移 s 也相同，由公式 S=at2/2， 可得出 a 相同的结论引导在同一地点，一切物体在自由落体运动中的加速度都相同，物理上把这个加速度叫自由落体加速度，也叫重力加速度，用 g 表示 2.大小：引导加速度有大小，能否利用前面实验计算加速度呢？学生：能，由 v-t 图像可以计算加
12、速度 a。（1）计算：怎样由 v-t 图像得到加速度 a 的大小？由图象的斜率即 g= v/ t。展示多媒体课件，用鼠标拖动图线上的点，找两个时刻（比如 0.1s 和 0.3s），读出对应的速度，代入公式计算得g9.8 m/s2。引导实际上，前人们作了大量的研究和计算，得到了一些正确的数据，请学生看电脑大屏幕上的表格，从中你能发现什么，不同地点物体的 g 值都相同吗？有何规律？（2）学生阅读屏幕上的表格，发现归纳：不同的地理位置，重力加速度大小不同，纬度越高，g 值越大。教师通过大屏幕投影来说明重力加速度的大小随位置的变化规律指出一般计算时取 g=9.8m/s2，粗略计算中常取 g=10m/s
13、23.方向：重力加速度是矢量，它的方向总是竖直向下的，与重力方向相同。 （五）总结规律引导看来，自由落体运动的加速度也是特定已知的，那么，自由落体运动的公式可以准确地书写为什么形式？将公式改写为： vt=gt ， s=gt2/2 。（六）应用引导探究得到了自由落体运动的性质和规律，最后来解决开始上课留下的疑问。先观看尺子下落的电脑模拟动画。提出三个问题：（1）尺子做什么运动？（2）什么是反应时间？解决（3）怎样通过位移得到反应时间的呢？1.解答： 长尺做自由落体运动，记录下落位移 h ，根据自由落体运动规律:代入已知的 g 值和 h 值来计算反应时间:（请计算引入时提供的数据对应的时间）2.拓
14、展：由反应时间的计算式子可以知道，t 与 s 一一对应，如果直接从尺子上面某位置标上对应的时间，这样就制成了反应时间测定尺。自由落体运动性质和规律定义和条件展示尺子的背面，让学生观察到刻度和数值。追问学生：为什么刻度分布不均匀？再次想到位移公式s=gt2/2（位移 s 与时间 t 不成正比）。米尺在我们手中还有如此神奇的功能，原来是掌握了自由落体运动的规律，不禁想起英国人培根的名言-知识就是力量。（七）小结这节课，我们有哪些收获，学习了哪些知识？【课外作业】1.请利用自由落体实验仪设计一个实验：探究自由落体运动的位移与时间的规律。2.研究性学习：课外实验-滴水法测重力加速度，并结合现有知识以“
15、测量重力加速度的不同方法”为题，写一篇科技小论文。利用水滴可以测出重力加速度 g,其做法是：调节水龙头，让水滴一滴一滴地流出。在水龙头的正下方放一盘子，使水滴落到盘子上，可以清晰的听到水滴碰到盘子的响声。细心调节阀门，使第一个水滴碰到盘子的瞬间，第 2 个水滴正好从阀门处开始下落，这时水滴经过的时间，就正好等于相继滴下的两个水滴之间的时间间隔。数出在 30s 内滴下水滴的数目或者测出下落 50 个水滴经过的时间 t，即可以计算水滴下落的时间 T，用米尺量出水滴下落的距离 h，将 h、T 代入 h=gt2/2 中，就可以计算出 g。将测出的数据填入下列表格中；实验次数 h（cm） T（s） g（m/s 2） g（m/s 2）1 2 33.请谈谈你对亚里士多德和伽利略的看法。
