【公开课】自由落体运动+教学设计高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

课题章节与名称第二章匀变速直线运动的研究第4节自由落体运动课时1上课时间教师学习内容分析学习目标描述一、物理观念1.认识自由落体运动的特点和规律；2.会运用自由落体运动的特点和规律解答相关问题。二、科学思维通过分析，归纳出自由落体运动的速度，位移公式，培养分析、推理、综合的能力。三、科学探究1.通过实验，概括出自由落体运动的特点；2.通过实验探究自由落体运动加速度的大小。学科核心素养培养说明科学态度与责任：培养学生仔细观察、认真思考、积极参与、勇于探索的精神。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.自由落体运动逐差法求加速度。学生学情分析对自由落体运动的研究是本节的一个难点，因为它与学生常见的生活中的落体运动并不完全相同，需要转变学生的已有认识。本节课的内容是对前面所学知识的综合应用，需要学生通过实验结合前面所学内容，得出自由落体运动规律，并测得重力加速度g的大小，进而得出自由落体运动的速度、位移与时间之间的关系式。教学策略设计教学环节教学内容主要教学方法与活动设计一、创设情境导课问题轻重不同的两个物体从同一高度同时落下，你认为哪个物体下落得快？1.教师展示：将两个轻重不同的玩偶同时从同一高度释放，并进行多次演示。（说明：将两个玩偶粘上不影响实验结果的小铁片，利用电磁铁吸引至高空，再同时断电。）2.设疑：是什么因素影响物体下落得快慢？3.介绍：物体下落的运动是司空见惯的，但人类对它的认识却经历了差不多两千年的时间。最早研究这个问题的，大概要算古希腊学者亚里士多德了由实验可以看到石头下落得非常快，重的物体下落快的现象，在生活中还有很多例子，所以亚里士多德认为物体下落的快慢跟它的轻重有关，重的物体下落得快。我们知道它没有考虑到空气阻力的作用，所以得出这样的结论。学生活动一：在教室内拿两张同样大小的纸，将其中一张揉成一个团。让纸团和另一张纸在同样的高度落下，看看哪一个下落得快？二、教学过程（一）自由落体运动引导：伽利略认为，根据亚里士多德“重的物体下落得快”的论断，会推出相互矛盾的结论。例如，假定一块大石头的下落速度为8m/s，一块小石头的下落速度为4m/s，当把两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着而变慢，整个物体的下落速度应该小于8m/s；但是，把两块石头捆在一起后，整个物体比大石头要重，因此整个物体下落的速度应该比8m/s还要大。这种相互矛盾的结论，说明亚里士多德“重的物体下落得快”的看法是错误的。问题轻重不同的物体下落的情况到底是怎样的？§演示实验：质量不同的物体下落快慢的研究实验目的：观察质量不同的物体下落的快慢实验器材：牛顿管、纸片、螺丝钉实验步骤：（1）将纸片和螺丝钉装入牛顿管中，将牛顿管进行密封，并抽出里面的空气，让其内部近似为真空状态.（2）将牛顿管瞬间倒置，使纸片和螺丝钉同时从同一高度下落，观察下落的快慢注意事项：先把牛顿管竖直。用磁铁吸住，我在纸片上粘了一个小铁片，质量仍然比螺丝钉要小，然后快速释放两物体；抽气的方法：把针筒与塑胶管口连接，反复抽气，抽气过程中，让塑胶管保持竖直畅通；（3）一直抽到很费力为止，取掉针筒。气口处有一个单向阀，气体只进不出，观察纸片和螺丝钉的下落情况。实验结论：抽气之前，纸片明显下落较慢；抽气之后两者几乎下落一样快。设疑：下落的几乎一样快，还是有快慢的差别，大家觉得是什么原因？如果继续抽气会怎样？视频演示：牛顿管观察物体下落快慢。（播放视频，央视《加油向未来》节目自由落体运动实验。）结论：在现实生活中人们之所以看到物体下落的快慢不同，是因为空气阻力的影响。如果没有空气阻力，所有物体下落的快慢都一样。通过多媒体课件动图展示：生活中有阻力的自由下落的现象。归纳总结：定义：物体只在重力作用下，从静止开始下落的运动叫自由落体运动。特点：①从静止开始下落，即初速度v0为零；②只受重力。在有空气的空间，如果空气阻力的作用比较小，可以忽略，物体的下落可以近似看作自由落体运动。这就使得自由落体运动在现实生活中具有实际意义，因为没有阻力的情况是一种理想状态，我们现实中无法实现。所以说自由落体运动是一种理想的物理模型。学生活动二：观察质量不同的物体下落的快慢。（二）自由落体加速度下面我们通过一个实验来研究自由落体的运动规律。§实验：研究自由落体运动的规律实验目的：研究自由落体运动的加速度是否变化；测量重物下落的加速度。实验器材：铁架台、打点计时器、纸带、重物、交流电源、刻度尺、导线实验步骤：（1）固定打点计时器，纸带一端系着重物，另一端穿过计时器.（2）用手捏住纸带上端，启动打点计时器，松手后重物自由下落，计时器在纸带上留下一串小点.（3）仿照前面对小车运动的研究，测量重物下落的加速度（4）改变重物的质量，重复上面的实验数据处理：仿照前面对小车运动的研究，通过纸带求出重物下落的加速度实验结论：对不同物体进行的实验结果表明，在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同.对不同物体进行的实验结果表明，在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同。我们就把这个都相同的量，就做自由落体加速度。定义：物体在自由落体运动中的加速度叫作自由落体加速度，也叫作重力加速度。符号：通常用g表示。方向：竖直向下。因为地球的吸引都是往下的。大小：一般g=9.8m/s2，粗略计算g=10m/s2。指导：利用手机传感器测自由落体加速度。虽然是如此，但是我们通过精确的实验发现，在地球表面不同的地方，g的大小一般是不同的。如图所示，可以看到各地的加速度的值是不同的。但是也有一定的规律。设疑：你从表中发现了什么规律吗？你能尝试解释这个规律吗？尝试解释就是作出猜想。地球是一个两极稍扁赤道略鼓的不规则球体，所以极地半径比赤道半径小。这样半径越小的吸引力越大，所以这个加速度就比较大。地球的不规则性使得重力加速度不一样，即使你站在高山上也是不一样的，推广到月球上。结论：重力加速度随纬度的增加而增加。学生活动三：研究自由落体运动规律。学生在老师指导下，利用手机传感器测自由落体加速度。用手托着手机，打开加速度传感器，手掌迅速向下运动，让手机脱离手掌而自由下落，然后接住手机，观察手机屏幕上加速度传感器的图像。通过数据了解不同地点的重力加速度的值。（三）自由落体运动规律问题既然自由落体运动是从静止开始，加速度的值恒为g=9.8m/s2的匀变速直线运动，那么自由落体运动的规律与匀变速直线运动规律有什么联系？引导：物体只在重力作用下，从静止开始下落的运动叫自由落体运动。从静止开始就表明自由落体运动的初速度是零，加速度的值恒为g=9.8m/s2，那么自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，所以，匀变速直线运动公式也适用于自由落体运动。把初速度v0=0和加速度a=g分别带入匀变速直线运动的速度与时间关系式、位移与时间关系式、速度与位移关系式，得出自由落体运动的关系式：速度-时间关系式：位移-时间关系式：速度-位移关系式：说明：因为物体下落的位移也是物体下落的高度，所以有时x也用h来代替。我们主要了解伽利略的研究思路和研究方法，伽利略的逻辑和实验自然使人钦佩，伽利略对运动的研究，不仅确立了许多用于描述运动的基本概念，而且创造了一套对近代科学的发展极为有益的科学方法。这些方法的核心是把实验和逻辑推理（包括数学演算）和谐地结合起来，从而发展了人类的科学思维方式和科学研究方法。STSE：从伽利略的一生看科学与社会（阅读）了解伟大科学的一生，学习其为科学做贡献的精神。学生活动三：在老师的引导下，以小组为单位，合作推导自由落体运动的关系式。三、课堂练习练习1关于自由落体运动，下列说法正确的是（）A.质量大的物体自由下落时的加速度大B.雨滴下落的过程是自由落体运动C.从水平飞行着的飞机上释放的物体将做自由落体运动D.从二楼阳台由静止释放的石块，可近似看作自由落体运动。答案：D练习2图中甲、乙两图都是使用电磁打点计时器测量重力加速度g的装置示意图,已知该打点计时器的打点频率为50Hz。（1）甲、乙两图相比较,哪个图所示的装置更合理?（2）丙图是采用较合理的装置并按正确的实验步骤进行实验打出的一条纸带,其中打出的第一个点标为1,后面依次打下的一系列点迹分别标为2、3、4、5……经测量,第15至第17点间的距离为11.70cm,第1至第16点间距离为43.88cm,则打下第16个点时,重物下落的速度大小为______m/s,测出的重力加速度值为g=____m/s2。(结果要求保留三位有效数字)答案：（1）甲；（2）2.93；9.78练习3一物体做自由落体运动，落地时速度是30m/s（g取10m/s2）。问：（1）它下落到地面所需时间；（2）它开始下落时的速度；（3）它在最后1s内下落的高度。答案：（1）3s；（2）45m；（3）25m讨论1小结自由落体运动的条件（1）由静止开始下落；（2）只受重力作用或空气阻力远小于重力大小。讨论2小结利用纸带计算重力加速度的方法。（1）计算出纸带上一个点或几个点的速度，然后根据加速度的定义式或匀变速直线运动的其他公式求加速度；（2）计算出纸带上各点的速度，画出v-t图像，由图像的斜率可求得重物下落的加速度即重力加速度；（3）根据Δx=gt2用逐差法求加速度（注意要尽可能多地选用数据）讨论3小结自由落体运动的规律四、课堂小结课堂小结：总结、归纳，形成本节课共点力平衡问题的物理体系，并学会将生活中的物理问题转化为物理模型。五、课后作业作业1（多选）对于从苹果树上同一高度同时落下的苹果和树叶，下列说法正确的是（）A.苹果和树叶都可以看成自由落体运动B.苹果可以近似地看成自由落体运动，树叶不能看成自由落体运动C.假如地球上没有空气，则苹果和树叶将同时落地D.苹果先落地是因为其受到的重力加速度比树叶大作业2利用如图所示的装置可以研究自由落体运动．实验中需要调整好仪器，接通打点计时器的电源，松开纸带，使重物下落，打点计时器会在纸带上打出一系列的点。

（1）为了测得重物下落的加速度，还需要的实验器材有________。(填入正确选项前的字母)

A．天平B．秒表C．刻度尺

（2）若实验中所得到的重物下落的加速度值小于当地的重力加速度值，而实验操作与数据处理均无错误，写出一个你认为可能引起此误差的原因：___________________。作业3如图所示，一滴雨滴从离地面20m高的楼房屋檐自由下落，下落途中用Δt=0.2s的时间通过一个窗口，窗口的高度为2m，g取10m/s2，求：（1）雨滴落地时的速度大小；（2）雨滴落地前最后1s内的位移大小；（3）屋檐离窗的上边框的高度。课堂例题1的拓展。延伸、引出