2.5自由落体运动（创新实验）教学设计高一上学期物理教科版

自由落体运动本节实验将从教材分析、课标要求、学情分析、实验改进与创新、实验教学目标、实验教学过程、课后作业、教学反思八部分进行阐述。教材分析（一）教材主要阐述伽利略对自由落体运动的研究：通过对物体下落快慢影响因素的研究提出自由落体运动概念；进而研究自由落体运动规律（二）在教学实践中发现，此节实验操作存在以下困难研究自由落体运动规律时：斜面实验操作难度较大，耗时较长；频闪照相对实验设备和实验环境要求较高。二、课标要求通过实验，认识自由落体运动规律。结合物理学史相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。了解伽利略研究自由落体运动的实验和推理方法、了解空气阻力对落体运动的影响。三、学情分析授课对象为高一学生，通过前面的学习，学生已经知道了匀变速直线运动的规律，为探究自由落体运动规律奠定了基础。实验创新与改进（一）实验器材大多从生活中取材：A4纸、直径为12mm的铜球与铝球若干个、两根80cm的透明亚克力管、自来水、洗衣液、装有水的塑料瓶（二）实验数据采用Tracker软件处理分析，操作简单，实验结果直观五、实验教学目标（一）通过实验探究，知道自由落体运动的含义（二）了解伽利略研究自由落体运动的实验和推理方法（三）通过对Tracker软件的使用，学会应用函数拟合方法探究物理规律六、实验教学过程（一）探究一：探究影响物体下落快慢的因素（1）教师引导，由学生提出猜想。1）教师提供实验器材：若干张A4纸、直径为12mm的铜球与铝球若干个、两根80cm的透明亚克力管、洗衣液、自来水，见图1、2、3。图1A4纸图2透明亚克力管图3钢球和铝球2）学生分组讨论，不断尝试实验，最后提出猜想：物体下落快慢与空气阻力有关，与物体轻重无关。3）教师展示学生实验操作过程。（2）教师演示：牛顿管实验。1）实验器材：牛顿管、抽气机，如图4、5。图SEQ图\*ARABIC4牛顿管图SEQ图\*ARABIC5抽气机实验方案：教师介绍牛顿管的构造；将牛顿管倒置，观察金属片与小羽毛的下落快慢情况；对牛顿管抽气，再将牛顿管倒置，观察现象。实验现象：将牛顿管倒置，观察到金属片先落到管口；对牛顿管抽气，再将牛顿管倒置，观察到金属片与小羽毛下落快慢更为接近了。实验结论：物体下落快慢与空气阻力有关，与物体轻重无关。教师解释：实际上，将牛顿管抽为真空环境，也较难实现。现代学者大量的研究也证实了此推断，如月球实验，真空环境实验等。引出自由落体运动定义。1）只在重力作用下，物体由静止开始下落的运动称为自由落体运动。2）教师解释：生活中的落体运动均是在重力和空气阻力共同作用下的运动，但当空气阻力很小可忽略时，且下落高度不是很大时，这样的落体运动可近似当作自由落体运动。（二）探究二：探究自由落体运动规律（1）教师提出问题：自由落体运动中，物体下落的速度与时间存在怎样的关系？物体下落的位移与时间存在怎样的关系？由学生分组讨论并提出猜想。（2）某学生小组提出的猜想：物体下落的位移与时间的平方成正比。此实验设计难度较大，由教师介绍多种实验方案，学生分组选择并进行实验操作。（3）实验方案1：伽利略斜槽实验。伽利略采用了先转换变通，后合理外推的方法，将竖直方向的自由落体运动，转换为斜槽上的运动。他让一个黄铜小球沿着阻力很小、有一定倾角的斜槽上滚下，运动的路程可事先设定，只需测出时间即可。随后将斜面倾角不断增大，重复实验，得出实验结论。最后合理外推至倾角为90°时，实验结论应当仍然成立。在伽利略时代，实验条件和手段都较为原始和简陋，探究运动规律实属不易，因此，伽利略的科学探索精神和实验设计能力值得我们钦佩和学习。在现代科技迅猛发展的今天，我们已有许多方法可以探究自由落体运动规律，如利用打点计时器的下落运动、频闪照片等。（4）本堂课将重点介绍实验方案2：使用Tracker软件探究自由落体运动规律。将装有水的塑料瓶置于一定高度，静止释放，并录制视频，随后将视频导入Tracker软件，运用Tracker对数据进行处理分析。首先，我们需要先用录制一段装有水的塑料瓶近似做自由落体运动的视频，此处选择塑料水瓶的原因：后续数据处理时，方便确定物体的位置。需要注意的是，录制时需要尽量使物体竖直下落，并选择黑板为标尺，用刻度尺测量出黑板的宽度。接下来，我们将录制的视频导入Tracker软件中。首先我们需要选择塑料水瓶下落的时间段：拖动时间轴，确定下落起始时刻为61，落地时刻为81，此处为每两帧画面的时间间隔，系统默认0.033s，我们也可自行设定，此处我们便不更改了。然后选择定标杆（也就是我们生活中常用的比例尺），输入定标杆的刻度100cm，再建立坐标系，将坐标原点移至塑料水瓶中心，建立质点A，随后每隔0.033s追踪标记质点的位置。（此处，需要我们同时按住shift和ctrl键，此时出现这样的瞄准符号，需要我们注意标记质点位置：1、2、3......20）标记完成后，点击表格，我们不需要y坐标，因此删除。剩下质点的x坐标和t轴，其中时间轴作为横轴，位置坐标作为纵轴。在此处点击右键、分析，此图像为位置时间关系图，如图6。图6xt图像此图像表明位移与时间成正比还是与时间的平方成正比？这需要我们选择软件自带的理论函数图像拟合功能，简而言之，我们可以选择某种函数的理论曲线图与我们实验所得的实验曲线图进行重合比对，重合度越高，代表实验曲线更接近该函数图像。例如，我们点击线性函数拟合，此时出现一条倾斜直线，为了更好区分，我们将直线颜色选为黑色，我们发现，线性函数与实验曲线重合度极低，因此实验曲线并非线性函数图像；我们再选择抛物线拟合，我们发现，抛物线曲线与实验曲线几乎重合，因此，实验曲线为抛物线函数图像。此为抛物线方程，其中系数采用科学计数法，E为10，B、C均为10的1、3次方量级，几乎可忽略，因此抛物线函数方程变为了x=At2，物体下落的位移与时间的平方成正比。（5）教师展示学生实验操作过程、学生实验报告单，见图7。图7学生实验报告单七、课后作业基于本堂课的学习，学生自行设计实验，测量重力加速度的值八、教学反思（一）本节课采用的科学探究方法是：提出问题、提出猜想、实验验证、函数拟合（二）本节课的可取之处（1）在教师引导下，学生分组讨论，根据教师所提供的实验器材，设计实验、提出猜想，旨在培养学生