2.5  《自由落体运动》教学设计

【教材分析】

本节为《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理1”中第一个二级主题“运动的描述”中所涉及到的内容。本节主要内容是探究自由落体运动，是本章的重点内容，同时也是后面学习匀变速直线运动的基础。本节教学内容要体现实验在认识自由落体规律中的作用，并通过介绍伽利略对自由落体的研究，体会科学研究方法对物理学发展的作用。从亚里士多德和伽利略观点的冲突，经过实验探究，得出物体下落过程中的运动情况与物体的质量无关，引出自由落体运动的概念。在通过记录自由落体运动轨迹，用打点计时器或频闪照片，从频闪照片中分析自由落体的规，位移正比于时间的平方值。

教材在本节设计上有如下特点：1.突出实验探究；2.重视物理知识在生活中的实际应用。

【学情分析】

物体的下落运动是日常生活中最为常见的现象，学生对物体的下落运动已有自己的认识，这可以成为教学的起点。学生已有的知识基础：学生已经学习了位移、加速度、时间等描述运动的知识；学生的认识特点：学生在生活中对于树叶飘落、雨滴下落等落体运动司空见惯，但不知道落体运动的快慢和位移的规律。

【教学目标】

知识和技能

1．知道自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。

2．知道自由落体运动加速度大小和方向，知道不同地点重力加速度不一样。

3．能根据匀变速直线运动规律，建立自由落体的运动方程。

4．能运用自由落体运动规律解决有关实际问题。

过程和方法

1．通过实验探究认识自由落体运动特点和规律，培养学生观察能力和逻辑推理能力.

2．体验物体下落的快慢，了解生活中物体的下落运动，进行科学态度和科学方法教育。

3．用理想化方法去比较重力与空气阻力的大小，识别自由落体运动，培养学生探求知识能力，提高学生解题能力。

情感、态度与价值观

1．体会伽利略研究自由落体运动的思路和科学思维方法，学习科学家的探索精神，体会科学探索的艰辛。

2．体会实验和多媒体手段在研究物理问题中的作用。

【重点难点】

重点：探究自由落体运动特点和规律的过程，知道仅受重力作用的不同物体，具有相同的重力加速度g，体会伽利略的科学推理方法。

难点：物体下落快慢与物体所受重力大小无关及重力加速度的测量。

【教学方法】  实验探究——启发法

【教学器材】

（1）小铁球，乒乓球；泡沫塑料板，托盘天平一架；纸一张（裁成相等的两半）

（2）牛顿管、抽气机

【教学过程】

新课导入 

教师：对于物体下落快慢情况，请同学们从生活经验出发提出自己的看法，并举例说明。

预测学生对物体下落的认识可能有：

1．重物下落快；例如：小石块下落得比树叶快

2．轻重物体下落一样快；例如：小石块和小纸团下落得一样快

3．体积小的物体比体积大的物体下落更快；例如：小球下落得比气球快

4．物体下落中速度越来越大；例如：小石块下落

5．物体下落很快，例如：从四层楼高的物体掉下来，瞬间就可落至楼底

6．……

（提出悬念，展示对物体下落已有的经验认识，并引导学生注意观察身边物理现象，体会到物理知识就在我们身边，感悟物理规律研究的价值，激起学生的求知欲。）

教师：同学们所举实例和看法都是正确的，然而却出现这些看起来似乎是互相矛盾的结论，是什么原因造成的？

（让学生对已有观点进行分析和比较，提出新的问题，然后对新问题进行进一步的研究。对已有现象和结论进行进一步的思考和分析是科学研究的起点。）

预测：学生分析出的原因可能是

1．有没有受到空气阻力造成的；

2．空气阻力和物体重力大小关系。

3．……

教师：当物理现象可能与几个因素有关时如何继续研究下去？可通过实验进行进一步的研究；也可以通过科学的推理进一步研究。请同学们一起用实验来探究阻力和重力对物体下落的影响。

（遇到问题和困难时如何进一步研究下去，必须让学生亲身体会，学习中不要只给学生唯一正确的方法和过程，可让学生在尝试中体验成功和失败的快乐。）

（一）空气阻力对落体运动的影响  （板书）

演示实验1：小铁球和乒乓球，在同一高度同时自由下落

现象：铁球先落地

结论：较重的先落地  （板书）

演示实验2：泡沫塑料板和乒乓球，在同一高度同时自由下落

现象：乒乓球先落地

结论：较轻的先落地  （板书）

演示实验3：一张纸裁成相等的两半，一半揉成纸团，另一半不变；

在同一高度同时自由下落

现象：纸团先落地

结论：等重的落地有先后  （板书）

教师：实验确实出现“较重的先落地、较轻的先落地、等重的落地有先后” 这些似乎是互相矛盾的结论，为什么呢？

（以往结论往往是教师直接给出，没有给学生思考总结的时间，这样学生的实验只流于形式，没有达到通过实验揭示现象本质的功能，同时也不能给学生带来研究问题的乐趣。）

预测：学生对实验现象的观察和思考可能得出的结论是:

1. 空气阻力对物体下落是有影响的，同一物体受到空气阻力时运动得较慢

2．当有受到空气阻力时物体下落还与物体重力有关

3．当物体在没有受到空气阻力的情况下，物体下落的快慢似乎与重力无关

4．……

教师：不错，空气阻力对物体下落的确有影响，而且较为复杂，日常生活中许多物体下落时受到的空气阻力与物体的重力比较小得很多，常常可以忽略不计，我们所要研究的就是在没有空气阻力情况下物体的下落情况，这种运动就叫自由落体运动。

（二）自由落体运动  （板书）

1．轻重不同物体下落快慢相同  （板书）

演示实验4：牛顿管演示实验

教师通过牛顿管演示实验来证实没有空气阻力的情况下，轻重物体下落情况一样。实验装置如图所示，在一根长约1.5m的玻璃管中，放入羽毛、金属片。演示实验时按如下步骤：

（1）不抽出玻璃管中的空气，将玻璃管倒立过来，观察物体下落情况

（2）抽去玻璃管中部分空气，将玻璃管倒立过来，观察物体下落情况

（3）继续抽去玻璃管中空气，再将玻璃管倒立过来，观察物体下落情况

教师：同学们从实验中看到了什么现象？这些现象说明了什么问题？

（1）中观察结果：金属片先于羽毛落到管的底部。

（2）中观察结果：金属片先于羽毛落到管底部，但两者落到管底的时间差变短。

（3）中观察结果：金属片和羽毛几乎同时落到管的底部

（演示实验的功能是为了揭示现象的本质，提高学生学习的兴趣；演示实验中如何提高学生观察的兴趣是教师在完成实验过程中要考虑的；本演示实验并没有一下就做“真空”情况下物体下落情况；而是不断地抽出玻璃管中的空气，观察减小物体下落阻力，物体的运动情况；这样一来每次实验现象均不相同，有利于形成科学的观察习惯及观察的敏锐性。）

猜想：设想如果没有空气，结果又将如何？

预测学生从观察到的现象可能得到的结论是：

（1）玻璃管中空气越少，轻重不同的物体下落快慢情况越接近

（2）在没有空气阻力的情况下，轻重不同的物体下落得一样快

（3）……

（展示多媒体课件，模拟上述三种情况）

结论：在空气阻力很小时，一切物体在同一高度上的落地时间都相等。即轻重不同的物体下落快慢相同。  （板书）

2．定义：物体只在重力作用下（理想化模型），从静止开始下落的运动，称为自由落体运动。  （板书）

在学生得出不同物体自由落体运动情况一样后，将事先复印的频闪图（可从原人教版中复制得到必修1 P47不太清晰的图3—26内容），即小球做自由落体运动的频闪照片发给每组学生一张，让学生探究是否满足△s=at²，以确认自由落体运动是匀变速运动。

3．性质：自由落体运动是初速为零的匀加速直线运动。（板书）

4．自由落体运动的加速度g  （板书）

（1）同一地点，不同物体的自由落体运动情况相同，即一切物体在自由落体中的加速度（重力加速度g）相同。  （板书）

教师：用什么物理量来表示自由落体的运动规律都相同呢？

（在研究得出轻、重不同的物体自由落体运动得一样快后，学生很可能会产生这样的疑问，为什么轻重物体下落得会一样快？其内在原因是什么？产生这样的疑问是非常好的，对这个问题的思考和讨论正是揭示了力和运动之间的关系。但并不是本节课研究的主要问题；教师可通过问题把学生的思维引导到研究自由落体运动规律这方面。如果学生有这方面的疑问，教师应给以积极的肯定，并且鼓励学生课后给以解决。）

预测学生对老师提出的问题可能的答案是：

A．用物体的速度来表示

B．用物体的运动加速度来表示

C．……

引导学生认识到物体运动的加速度是用于确定物体的运动变化快慢，知道物体运动的加速度就能知道物体的运动速度的变化规律，知道物体的速度变化规律就能知道物体的位置变化规律，因此只要知道物体的运动加速度（和运动初速度）就能知道物体的运动规律。

（2）g的方向：永远竖直向下  （板书）

（3）g的大小：通常取g=9.8m/s²，估算时g=10m/s²，不同地点g不一样

（4）g的测量：纸带、频闪照片、滴水法……等

教师：如何测得自由落体运动的加速度呢？请思考设计测量重力加速度的实验方案。

说明：自由落体运动是匀变速直线运动的一个实际例子，本节课目的不仅要让学生认识到自由落体运动的规律，而且还要通过对自由落体运动的研究来加深对匀变速直线规律的掌握和应用。因此可让学生利用所学匀变速直线运动知识设计研究自由落体运动的运动规律。

预测学生设计的实验方案可能是：

（1）让小球从高为h处下落，测出下落所用时间t；那么自由落体运动的加速度为  g =

（评析：由于物体自由落体运动很快，因此时间的测量较难，故此方案并不切实可行）

（2）利用打点计时器来测量自由落体运动的加速度  g =

（评析：只要重物重力较大，重物下落过程中受到的阻力可忽略不计，本方案容易实现）

（3）利用闪光照片来测量自由落体运动的加速度 g =

（评析：此方案实验误差最小，但难以在课堂上实现，不够方法教师应该给予介绍，可结合复印的频闪图加以说明）

（4）……

在学生交流讨论实验设计的方案中，应让他们对各种方案阐述自己的观点，反思方案中的问题。

5．自由落体运动规律及其应用（板书）

（1）自由落体运动规律    v =gt      h =

（2）自由落体运动规律应用

生活中许多物体的下落都可以看成自由落体运动；如石块下落、花盆下落……等等。

A．估算从四楼凉台上下落的花盆，经过多长时间到达地面，到达地面速度多大？

（该例题让学生体验物理现象就在我们身边，体验自由落体运动的快慢。让学生学会估算的方法。）

分析和解：每层楼楼高约2.8m左右，三楼凉台离地面高度

h≈（2.8×3＋2.8÷3）m≈9.3m

根据自由落体运动规律 h=gt²   ∴ t=s≈1.36s

花盆落地速度  v＝gt≈13.6m/s

解题后应对结论进行进一步的讨论。如：问四层楼掉下的花盆到达地面所用时间1.36s是长还是短？那么住在高楼同学应注意什么？进入工地为什么必须戴上安全帽？……等许多实际问题。

B．利用刻度尺设计测量人的反应时间

在应用物理规律时，不仅要做巩固性练习，而且要结合实际问题情景，让学生在实施的过程中体验如何应用物理知识解决问题，特别是方案设计的讨论有助于促进学生各方面的发展，提高学生学习的兴趣。

【课堂小结】

引导学生先自己进行课堂总结，然后和同桌间交流。最后总结本节课的知识：

 （1）自由落体运动的定义：在物理学中，将物体只在重力的作用下由静止开始运动叫做自由落体运动。做自由落体运动的物体，其下落的快慢与物体的质量无关。

 （2）自由落体运动是一个初速度为0，加速度大小为g，方向竖直向下的匀加速直线运动。所以前面的公式都可以用。

【课后作业】

1．请同学们自己设计一个实验测量一下自己所在地区的重力加速度。

（仪器：打点计时器；或者手表、水龙头、直尺等）

作业：问题与练习  2、3、4

【板书设计】

一．自由落体运动的概念 

物体仅在重力作用下，从静止开始下落的运动，叫自由落体运动。 

二．自由落体运动的规律 

初速度为0的匀加速直线运动。 

三．自由落体加速度 

1．同一地点，不同物体的自由落体运动情况相同，即一切物体在自由落体中的加速度（重力加速度g）相同。一切物体自由下落的加速度都相同，叫做自由落体加速度。 

2．g的大小：通常取 g=9.8m/s² 估算时 g=10m/s²不同地点g不一样 

四．自由落体运动的基本公式

 （1）自由落体运动规律  v =gt      h =gt²

 （2）自由落体运动规律应用

九．教学反思

  本节课的教学充分体现新课改精神，创设物理情景，以学生为中心，以问题为出发点，让学生自主学习、主动参与，充分调动学生学习兴趣和积极性。从课堂上来看：一、学生喜欢观察物理情景，也喜欢表达自己的看法，多数学生积极参与讨论和交流。二、自主实验探究过程中，学生进行猜想和设计实验时，思维活跃，主动参与。整个课堂教学中，改变了重知识传授、轻学习过程的传统教学方法，利用物理情景与实验探究相结合，让学生人人参与，主动探究，真正在课堂上动起来。学生主动性强，反应热烈，气氛活跃，效果良好。

    当然在这节课中也发现一些问题：如有个别学生动手能力差，看别人操作后才动手做实验；少数同学受日常生活影响较深，不能很容易改变“物体越重下落越快”这个错误观念。

    通过学生探究实验和教师的演示实验，激发学生的学习兴趣．强调学生是学习的主人，突出学生的探究性学习．教学时可要求学生推导自由落体运动的公式，以培养学生自主性学习的能力，但不必过分要求学生深入地掌握和应用该知识．但是作为匀变速直线运动的特例应指导学生明白所有匀变速直线运动的公示和规律对自由落体都适用。