高中物理人教版第二章匀变速直线运动的研究5自由落体运动 全国一等奖

《自由落体运动》教学设计【学习任务分析】本节内容是对前几节运动学的知识和研究方法的应用和提升。通过演示实验和学生合作实验，分析得出自由落体运动的性质，明确重力加速度的意义，不仅使学生对自由落体运动规律有具体、深入的认识和规律在实际问题中的应用，而且使学生在独立获取物理知识、探究物理规律、解决物理问题等方面获得具体的成果，体验科学研究的方法，让学生得到成功的体验，享受成功的愉悦，激发学习的热情和责任感。本节教学的重点在于引导学生思考研究自由落体运动的实验原理和方法，特别是利用打点计时器记录运动轨迹和时间的方法及实验数据处理、结论得出、误差分析等实验方法。本节教学的难点在于实验探究的思路、方法。【学习者分析】学生前面已认识描述运动的基本物理量──位移、路程、速度、加速度，掌握匀变速直线运动的规律，并且通过对以上问题的研究，已体会到物理学研究问题的一些方法，如运用理想模型和数学方法（图象、公式），以及测加速度、处理实验数据等方法。【教学目标】1．通过观察演示实验概括出自由落体运动的条件，渗透物理方法，从而培养学生的观察、概括、科学抽象能力。2．通过学生的合作实验研究自由落体运动的规律，领会科学探究方法（提出问题、猜想假设、设计实验方案、分析实验数据、总结交流结论成果），理解自由落体运动的实质是加速度为g的匀加速直线运动。3．归纳出自由落体加速度的大小和方向，会判别不同地点重力加速度的大小。4．运用理想化方法，通过比较重力与空气阻力的大小，将实际问题转化为自由落体问题。5．会运用匀变速直线运动的规律解决自由落体的问题，激发学生探究科学的热情，增强学生将物理知识应用于生活和生产的意识。【教学过程设计】让学生利用已有的知识和方法，经历科学探究的过程，培养科学探究能力，体现物理学是以实验为基础这一特点，具体设计思路流程如右图。虚线框内为探究过程。【教学过程】一、通过演示实验，引出要探究的问题1．概括落体运动是竖直向下的直线运动(1)悬挂在铁架台上的小球，它受到几个力的作用？（重力、悬线拉力）演示1：用火将悬线烧断，引导学生观察小球的运动。（学生观察到：小球在重力作用下，沿竖直方向作直线运动。）(2)落体运动是最常见的一种运动演示2：石块、粉笔头从手中落下(3)结论：任何物体只在重力作用下自由下落，都是沿着竖直方向作直线运动。（过渡：这节课，我们就来学习一种特殊的下落运动。）（板书：自由落体运动。）2．物体下落快慢的因素分析(1)提出问题：究竟是重的物体下落快还是轻的物体下落快呢？演示3：等大铁片和纸片同时、等高、无初速下落。（学生观察到：重的铁片先落地。）(2)得出“物体越重下落越快”的结论。观点是否正确呢？你能否设计实验证明你的观点？（激发学生思考）(3)让学生上讲台演示其设计的实验，并说明其观点。学生演示：较重的铁纸片和轻小纸团同时、等高、无初速下落，或等大的铁片和纸片叠在一起无初速下落。（学生观察到：轻小纸团比较重的铁片下落快，或铁片和纸片一样快。）(4)引导学生得出正确结论①根据前面的实验和分析，同学们猜想一下，物体下落的快慢跟重力的大小有什么关系呢？（生：没有关系。）②那怎么解释前面的实验现象呢？（生：空气阻力影响了物体下落的快慢。）③同学们猜想一下，如果完全没有空气阻力的影响，轻、重物体谁下落得快呢？演示4：科普知识：1971年美国宇航员斯科特在月球上让一把锤子和一根羽毛同时下落，观察到它们同时落到月球表面。演示5：钱羽管实验（学生观察到：在抽去空气的钱羽管内，轻重不同的铁片、羽毛同时落下。）结论：在没有空气阻力时，物体下落的快慢跟物体重力无关。我们把这样的运动称为自由落体运动。（板书：定义：物体只在重力作用下，由静止开始的下落运动叫自由落体运动。）(5)在日常生活中，我们平时见到的落体运动由于大气层的存在，自由落体运动是一种理想运动，但掌握了这种理想运动的规律，也就为研究实际运动打下了基础。当空气阻力不太大，与重力相比较可以忽略时，实际的落体运动可以近似地当作自由落体运动。（让学生体会自由落体运动有着普遍的意义和现代科技的发展与人类科学探究进程的关系。）演示6：体积相同的小木球和小铁球同时、同高、无初速落下。（学生观察到：两球几乎同时落地。）结论：（板书：自由落体运动的条件：a·从静止开始下落，初速为零；b．只受重力，或其他力可忽略不计。）（说明：让学生思考、讨论，明确空气阻力使下落物体的运动表现得很复杂，科学研究的第一步是先忽略空气阻力，研究物体不受空气阻力的运动。在这样的学习中，学生不仅可以提高观察与推理的能力，而且会逐渐形成观察与思考的习惯。）（过渡：人们根据简单的观察所得到的直觉观念和结论往往不一定都是可靠的，应当用科学实验对它们进行检验。）二、探索研究过程1．提出问题(1)那么自由落体运动是什么性质的运动呢？（生：（部分）是匀变速直线运动。）如是，怎样通过实验验证？(2)它的加速度与哪些因素有关？与落体质量有关吗？(3)你的说法有根据吗？你研究过吗？（反问）2．猜想假设(l)落体运动既然是自然界最常见、最普遍的一种运动，那么其中必然蕴藏着最简单的规律。(2)方法教育：大物理学家们对猜想假设的理解。一旦科学插上幻想的翅膀，它就能赢得胜利。──法拉第（英国）没有大胆的猜测就作不出伟大的发现。──牛顿（英国）(3)让学生大胆猜想自由落体运动是一种最简单的一种变速运动──初速度为零的匀加速直线运动。(4)怎样研究物体运动的规律？对于初速度为零的匀加速直线运动，加速度为常量，物体运动的位移s、时间t、速度v之间存在如下关系：3．设计实验方案（教师引导，学生通过学生分组合作讨论，提出设计方案。）方案一：用打点计时器记录的纸带研究物体的自由落体运动设计原理：设计要求：(1)如何提高本实验的准确度？(2)完成实验后，对纸带进行分析，如何判断其是匀变速运动？(3)如何利用实验来说明不同物体的自由落体运动规律相同？设计思路：用打点计时器研究物体的运动时，为提高实验的准确度，应从减少阻力、正确安装器材及操作步骤合理等入手。打点计时器最大的特点就是每打两点的时间间隔相等，它直接记录下的实际是物体在连续相等时间间隔内的位移，通过研究这些位移，看连续相等时间间隔内的位移差△s是否相等，从而得知物体的运动性质。设计结果：(1)由自由落体运动的定义知，要提高实验的准确度，应该从尽量减少阻力入手。具体办法是：整个装置应竖直（如图所示），纸带应平行于打点计时器的限位孔，先打点后放手等。(2)从相邻两点间的距离可看出，物体越往下落，相同时间间隔内下落的距离越大，即速度越来越大。(3)各组利用各自的纸带选择清晰的，并量出相邻各点间的距离。分组实验：按设计要求操作实验，进行分组实验时，同组实验者要求相互合作。各组实验时所用的重物质量、形状各不相同。（说明：学生可能会根据匀变速运动的特点会提出多种方案，以下方案的设计老师要给予肯定，有条件的可以根据实际条件进行教师课堂演示，没条件的可以用光电门替代，作为学生课外研究性课题。）方案二：利用找出落体物体的速度与时间的关系测速度随时间变化的关系方案三：利用找出落体物体的位移与时间的关系测位移随时间变化的关系设计原理：v-t图s-t图设计思路：利用仪器测出v、s、t各量设计结果：通过描点作图，得出图象对应的规律。（说明：教师对以上几种方案进行评价，特别对于方案一要着重分析引导，有利于养成良好的实验习惯。对于方案二、三教师先给予肯定，利用大屏幕投影进行演示。给学生介绍随现代科技的发展，有一种仪器(如图)利用LoggerPro软件自动识别连接在Lab-Pro上的运动传感器，能直接读出自由下落物体的速度和位移，不仅会大大缩短实验时间，而且能解决处理数据时遇到的如何计算速度这一难题。）4．分析实验数据方案一：利用量出的SAB、SBC、SCD算出△s，看是否在实验误差范围内相等。若是相等，利用△s=aT2计算出a=？并根据纸带判断出A的方向。方案二：利用LoggerPro软件做出v-t图象。如图。方案三：利用LoggerPro软件做出s-t图象。如图。5．总结交流结论成果方案一：利用各组实验数据分析，进行交流，判断得出结论是否相同？算出的口是否相等？进行交流后，发现不同物体所做的试验结论都相差不大，都在9．5m/s2左右，在实验误差范围内可以认为相同。方案二、三：利用loggerPro软件对图象进行拟合后，得出的A接近9．8m/s2。结论：轻重物体下落快慢相同，都做初速度为零的匀变速直线运动，A接近9．8m/s2。方案一偏差较大且值都偏小的原因是阻力影响较大（纸带与限位孔、空气阻力等）。板书：(1)运动性质：初速度为零的匀变速直线运动。·不同重量的物体加速度相同；这个加速度称为重力加速度。·加速度的大小为：____（学生由实验中测量的值）。板书：(2)自由落体的加速度──重力加速度g在同一地点，一切物体做自由落体的加速度都相同。强调：“在同一地点”。就是说，在不同的地点，物体自由落体的加速度不同。（教师介绍精确实验测定的北极9．832m/s2、北京9．801m/s2、长沙9．791m/s2、赤道9．780m/s2的重力加速度值，总结出：越靠近赤道，重力加速度的值越小；越靠近两极，重力加速度的值越大。并给出一般取值。）板书：通常计算中，g=9．8m/s2方向：竖直向下。6．探究过程小结：通过观察、思考、分析，提出所要研究的问题，然后作出假设，选择实验方案，分析实验数据、总结交流结论成果，是科学探究的重要途径。三、应用1．闪光照片现代科学发展为我们研究自由落体运动的性质提供了更为科学的手段，请同学们看彩图，彩图是自由落体的小球的闪光照片按比例的缩小图。（简介闪光照相）照片上相邻的球是相隔1/30秒的时间拍摄的，请大家用刻度尺测相邻的每两个球之间的距离S，在计算出相邻每两段的位移差，看是否是恒量？（生：（测量、计算）是恒量，说明自由落体运动是匀变速直线运动。）2．能否找出刚才纸带上所打的第一个点吗？（利用只要距第二个点约为2mm的点）3．为了测出井口到井里水面的深度，身边没有尺子，但有一秒表，如何粗略测量其深度。可让一个小石块从井口下落，若测得经2s钟听到石块落到水面的声音，求井口到水面的大约深。（不计声音传播的时间）(19．6米)小结：从这题中可以看到应用自由落体运动规律，我们可以把长度测量问题转换为时间测量问题。这是物理学研究中常用的测量转换方法。4．（参见教科书44页做一做）测定反应时间：测人的反应时间，一个人从发现情况到采取相应行动经过的时间叫反应时间。可以用下面方法测定：请一位同学用两个手指捏住木尺顶端，请你拳起一只手的手指在木尺的下部，作握尺的准备，但手的任何部位都不要碰到木尺，当看到那位同学放手时，你立即握木尺，测出木尺下降的高度，就可以用自由落体规律求出反应时间。假设测得某人握住木尺时，木尺下降了20cm，求该人的反应时间。5．测量“傻瓜”照相机曝光时间（参见书44页做一做）总结：运动规律：公式：【板书设计】【教学后记】1．通过演示实验，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的观察、概括、科学抽象能力。教学时，教学过程的第一部分（通过演示实验，引出要探究的问题）可以适当紧凑些，尽量缩短教学时间。研究物体下落快慢的因素分析时，尽量激发学生思考，利用已有的实验器材（纸片、铁片），放手让学生上讲台来演示，这不仅激发学生学习兴趣，而且活跃了课堂氛围。2．通过探索研究过程，得出重要的结论：自由落体是匀加速运动、加速度为g；同时“让学生经历科学探究的过程，培养科学探究能力”的精神。最后，自由落体运动规律的得出及应用等知识也就水到渠成。因此，对课本知识的适当延伸、拓展，让学生经历设计实验、合作完成实验、交流实验成果、得出结论，再理论联系实际，有利于培养学生探究能力，观察、分析、解决实际问题的能力，这正是当今素质教育所要求的。3．在探究过程中，学生会提出很多方案。用打点计时器记录的纸带研究物体