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

§自由落体运动★教学重点、难点：☆教学重点1．自由落体运动的概念及探究自由落体运动的过程．2．掌握自由落体运动的规律，并能运用其解决实际问题．☆教学难点1．理解并运用自由落体运动的条件及规律解决实际问题．2．照相机曝光时间的估算．[新课教学]一、自由落体运动在现实生活中，不同物体的落体运动，下落快慢在不少情况下是不同的．从苹果树上落下的苹果和飘下的树叶能一起同时下落吗?提出问题：1．重的物体一定下落得快吗?2．你能否证明自己的观点?(实验探究)引导学生猜想与思考：物体下落过程的运动情况与哪些因素有关，质量大的物体下落的速度比质量小的快吗?(实验)：取两枚相同的硬币和两张与硬币表面面积相同的纸片，把其中一张纸片揉成纸团，在下述几种情况下，都让它们从同一高度自由下落，观察下落快慢情况。①从同一高度同时释放一枚硬币和一个与硬币面积相同的纸片，可以看到硬币比纸片下落得快，说明质量大的下落得快．②两张完全相同的纸片，将其中一张卷紧后从同一高度同时释放，观察到卷紧的纸团比纸片下落得快，说明质量相同时体积小的下落得快．③将一枚硬币与已经粘贴了纸片的硬币从同一高度同时释放．观察到一样快，说明体积相同质量不同时下落一样快．④一块面积较大的硬纸板、一个小软木塞，分别放到已调平的托盘天平的两个盘中，可以看出纸板比软木塞重，从同一高度同时释放它们，软木塞比纸板下落得快．说明在特定的条件下，质量小的下落得会比质量大的还快．结论：物体下落过程的运动情况与物体质量无关．(实验演示)“牛顿管”的实验注意观察：先让学生观察羽毛、软木塞或金属片在已抽真空的牛顿管中同时下落，它们几乎同时落到管底．打开进气阀，让学生注意听到进气的声音，看羽毛被气流吹起的现象，再让学生观察羽毛、软木塞或金屑在有空气的牛顿管中同时下落，它们的下落快慢差别很大．结论：影响落体运动快慢的因素是空气阻力的作用，没有空气阻力时，只在重力作用下轻重不同的物体下落快慢相同．[课堂训练]如图所示是课题研究小组进行自由落体运动实验时，用频闪连续拍照的方法获得的两张照片A和B，任选其中的一张，回答下列几个问题：(1)我选图；(2)我从图中观察到的现象是：．(3)请对你所观察到的现象进行解释．参考解答1：(1)图A(2)质量相等的纸片和纸团同时释放，纸片比纸团下落得慢．(3)如图2—4—2，质量相等的纸片和纸团，它们的重力相等．由于空气的阻力对纸片的影、响较大，不能忽略，所以纸片下落加速度较小．如果把纸片揉成纸团，空气阻力对纸团的影响较小，纸团下落加速度较大，所以质量相等的纸片和纸团同时放手，纸片比纸团下落得慢．参考解答2：(1)图B(2)体积相等的铅球和木球同时释放，几乎是同时落地的．(3)如图，阻力对它们的影响很小，几乎可以忽略，虽然G铅大于G木，但是由于m铅也大于m木，即铅球的惯性比木球大，所以它们获得了相同的加速度g．对于同种材料的大、小二球，情况也是如此，它们也有相同的加速度g，所以体积相等的铅球和木球几乎是同时落地的．在地球表面附近从高处下落的物体，事实上都受到空气阻力的作用，因此，严格地说，实际生活中并不存在只受重力作用的自由落体运动．但若物体在下落过程中所受空气阻力远小于重力，则物体的下落也可看作自由落体运动．例如，对于实心金属球、石块等，在它们运动速度不大的情况下，可以忽略空气阻力的影响，把它们的自由下落看成自由落体运动，若它们从非常高的地方自由下落，当它们的速度增大到一定程度，空气阻力不能忽略，它们运动的全过程就不能看成自由落体运动．而对于另外一些物体如一团棉花或纸片从空中静止下落时，与重力相比，空气阻力的影响太大不能忽略，它们的运动就不能看作自由落体运动处理．[实验探究]按照教材第45页的图2．4—1装置做实验，将一系有纸带的重物从一定的高度自由下落，利用打点计时器记录重物的下落过程．说明：落体运动物体的位置往往变化得比较快，凭目测难以观察和记录，用打点计时器或频闪照相就可以记录下运动物体每隔相等时间所在的位置(运动信息)，这样得到的纸带(或照片)可以用来对运动过程进行分析．方案一打点计时器研究自由落体运动教材中用打点计时器较好地将重物下落过程记录下来，这样做既简便易行，又拓宽了对基本仪器的应用，但实验的准确度较难把握．因此在实验中要强调：①按教材图示和实验要求连接好线路，并用手托重物将纸带拉到最上端；②打点计时器的安装要使两限位孔在同一竖直线上，以减少摩擦阻力；③应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小；④先接通电路再放开纸带；⑤手捏纸带松手之前，不要晃动，保证打出的第一个点清晰．⑥重复上述步骤多次，直到选取只有打出的第一点与第二点之间间隔约为2mm的纸带才是有效的；(学生的疑问暂且不要解释⑦要求学生保存好记录了自由落体运动信息的纸带，为下节课研究运动规律作准备．完成实验后，分析纸带上记录的运动信息，请思考下列问题：(1)自由落体运动的轨迹是怎样的?(2)重物做自由落体运动的过程中，其速度有没有发生变化?(3)有的同学从实验结果中得出xCCt2，有的同学得出工x‘，你的结论又如何呢?(4)相邻、相等时间间隔的位移之差有怎样的关系?(5)影响实验精确程度的因素有哪些?参考：分析纸带可获取信息：(1)自由落体运动的轨迹是一条直线，速度方向不变；(2)连续相同时间内的位移越来越大，说明速度越来越大，即速度大小改变，具有加速度；(3)位移x与时间t的平方成正比；(4)相邻、相等时间间隔的位移之差相等；(5)影响实验精确度的因素主要是阻力．用打点计时器研究自由落体运动，计算其加速度，换用不同质量的重物看纸带上点子间隔有什么不同，总结得出结论．结论：将两条纸带对比，只要两条纸带上的点子间隔相同就说明它们的加速度是相同的．学生运用自己所学知识计算重力加速度，通过比较得出结论．实验探究结果：自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，加速度大约是9.8m／s2．方案二：利用光电计时器研究自由落体运动方案三：利用频闪摄影研究自由落体运动二、自由落体加速度通过算g值理解自由落体运动的加速度是一个定值(在同一地点)，引导学生学会分析数据，归纳总结规律．引导学生思考两个问题：1．自由落体运动的加速度在各个地方相同吗?2．它的方向如何?※使用不同的物体进行的反复实验表明，在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同，方向总是竖直向下的，※这个加速度叫做自由落体加速度，也叫重力加速度．符号：g；方向：竖直向下(与重力方向一致)；大小：与地点有关．一般计算中g＝9．8m／s2，粗略计算中可以取g＝10m／s让学生看教材第46页列表，尝试从表中寻找规律，这一规律是怎样产生的?学生猜想，但不宜过多解释．※越往北重力加速度越大，说明重力加速度与地理纬度有关，纬度越高，重力加速度越大．※自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，所以匀变速直线运动的基本公式及其推论都适用于自由落体运动，只要这些公式中的初速度v0＝0，a取g就可以了．自由落体运动遵从的规律:v=vo+at推出：v＝gtx＝vot+at2/2推出：x＝gt2/2．[课堂训练]一位同学进行“用打点计时器测量自由落体的加速度”实验．(1)现有下列器材可供选择：铁架台、电火花计时器及碳粉纸、电磁打点计时器及复写纸、纸带若干、220V交流电源、低压直流电源、天平、秒表、导线、电键．其中不必要的器材是：()；缺少的器材是()。(2)这位同学从打出的几条纸带中，挑出较为理想的一条纸带．把开始打的第一个点标为A，随后连续的几个点依次标记为点B、C、D、E和F，测量出各点间的距离，如图所示．请你在这位同学工作的基础上，思考求纸带加速度的方法，写出你所依据的公式：(3)根据你的计算公式，设计表格记录需要的数据，计算纸带下落的加速度．(结果保留两位有效数字)(4)估计你的计算结果的误差有多大?试分析误差的来源及其减小误差的方法．参考解答：(1)要根据各校具体使用的仪器作答，例如：其中不必要的器材是：电火花打点计时器及碳粉纸、220V交流电源、低压直流电源、天平、秒表；缺少的器材是：低压交流电源、毫米刻度尺、重锤．(2)依据的公式：a＝△x/T2．(3)数据处理方法不限，要体现取平均值消除误差的思想，表格记录的数据要与所使用的公式匹配．(4)实验结果纸带的加速度9．63m／s2与重力加速度的标准值9．8m／s2有偏差，误差大小为△a＝｜—｜m／s2＝0．17m／[做一做]1．阅读教材第46页“测定反应时间”，回答下列问题：问题1：若测出某同学捏住直尺时，直尺下落的高度为10cm，那么这位同学的反应时间是多少参考：根据自由落体运动规律h＝gt2/2可得反应时间t＝0．14s．问题2：在上课时，教师用这种方法测量同学们的反应时间，但同学刚把尺子捏住，教师马上就说出该同学的反应时间，也没见他怎样计算，你知道老师是怎样做的吗?参考：教师事先算好时间并写在直尺上，这样就可以直接给出学生的反应时间．2．教师引导学生阅读教材第47页“做一做”让学生提出自己解决问题的思路，不必准确解答，同时强调“估算”．学生独立思考，并提出解决办法，比较各种不同方法，并讨论其合理性及可行性．师：由于照相机的曝光时间极短，一般为1／30s或1／60s，曝光量相差10％对照片不会有明显影响，所以相机快门的速度都有比较大的误差，“傻瓜”相机更是这样．故在这样短的时间内，这种误差允许的范围内，物体运动的速度可以认为是不变的，可以看作匀速运动来处理．建议学生利用课下时间解出其准确值，比较两种情况下的时间差异．[本节小结]:这节课我们学习了对自由落体运动概念和规律的认识及理解．自由落体运动是物体从静止开始的只受重力作用的匀加速直线运动，加速度为g，学好本节可更好地认识匀变速直线运动的规律和特点，是对上节内容的有益补充．要突破此重点内容，一定要把握住一点，即自由落体运动只是匀变速直线运动的一个特例vo＝o，a＝g．我们在以前章节中所掌握的所有匀变速直线运动的规律及推论，在自由落体运动中均可使用．在使用时要注意自由落体运动的特点，判断是自由落体运动之后方可代人计算．自由落体运动是一种非常重要的运动形式，在现实生活中有许多落体运动可以看成是自由落体运动，研究自由落体运动有着普遍的意义．为了研究自由落体运动，我们运用了物理学中的理想化方法，从最简单、最基本的情况人手，抓住影响运动的主要因素，去掉次要的非本质因素的干扰，建立了理想化的物理模型——自由落体运动，并且研究了自由落体的运动规律，理想化是研究物理问题常用的方法之一，在后面的学习中我们还要用到．[课堂训练]1．大气层是我们地球生命赖以生存的屏障，每天都有很多小陨石落人地球大气层中，但当它们进入大气层后，由于空气的摩擦生热，绝大部分小陨石还没有到达地面便已经被烧毁．现在人类向天空发射的飞行器、卫星等当超过一定使用年限后，也让它们进入大气层烧毁，那么小陨石等进人大气层后的运动是自由落体运动吗?2．甲、乙两物体的质量之比为1：4，不考虑空气的阻力作用，它们在同一高度处同时下落，则下面说法正确的是………………()A.甲比乙先着地B．乙比甲先着地C．甲和乙同时落地D．甲比乙的加速度大3．如果从高楼相隔ls先后释放两个相同材料制成的小球，假设小球做自由落体运动，则它们在空中各个时刻………()A.两球的距离始终保持不变B．两球的距离越来越小C．两球的距离先越来越小，后越来越大D．两球的距离越来越大4．我们在电影或电视中经常可看到这样的惊险场面：一辆汽车从山顶直跌入山谷，为了拍摄重力为15000N的汽车从山崖上坠落的情景，电影导演通常用一辆模型汽车代替实际汽车．设模型汽车与实际汽车的大小比例为1/25，那么山崖也必须用1/25的比例来代替真实的山崖．设电影每1min放映的胶片张数是一定的．为了能把模型汽车坠落的情景放映的恰似拍摄实景一样，以达到以假乱真的视觉效果，问：在实际拍摄的过程中，电影摄影机第1s拍摄的胶片数应是实景拍摄的几倍?参考解答1．解答：因为自由落体运动的条件之一是只受重力作用，而小陨石进入大气层后的运动速度很大，受空气阻力很大，故不能看作自由落体运动·2．答案：C解析：物体自由下落过程中的运动情况与物体的质量无关，加速度相同，故甲、乙两物体同时开始下落，也同时着地，故C正确．3.答案：D解析：因物体做自由落体运动，两物体具有相同的加速度，先释放的小球的速度总是比后释放的小球的速度大，故两球的距离越来越大．4．答案：5倍解析：可将汽车坠落山崖的