普通高中课程自由落体教材介绍

普通高中课程标准实验教科书物理教材介绍·必修1（第二章匀变速直线运动的研究）课程标准的要求1．通过史实，初步了解近代实验科学产生的背景，认识实验对物理学发展的推动作用。2．经历匀变速直线运动的实验研究过程，……，了解匀变速直线运动的规律，体会实验在发现自然规律中的作用。3．能用公式和图象描述匀变速直线运动，体会数学在研究物理问题中的重要性。一、本章教材概述研究变速运动，应该从最简单的变速运动开始，匀变速直线运动就是一种最简单的变速运动。上一章学习的参考系和坐标系，为匀变速直线运动的位置和位移的确定奠定了基础；上一章学习了时间、位移、速度和加速度的概念，本章研究的就是匀变速直线运动的这几个物理量之间的定量关系；上一章学习了用打点计时器测速度，本章研究的匀变速直线运动的特点，就是通过用打点计时器进行的实验所形成的结论。上一章为本章奠定了全面的基础，本章是上一章概念和方法的具体应用。作为最简单的变速运动，匀变速直线运动的学习将为认识其他更复杂的运动创造了条件。了解匀变速直线运动的规律，才能进一步学习平抛运动的规律；认识匀变速直线运动加速度的特点，才有利于进一步认识匀速圆周运动和简谐运动加速度的特点；掌握了匀变速直线运动速度与时间的关系，通过牛顿第三定律，就能进一步推出同一直线上两相互作用物体所组成系统的动量守恒；掌握了匀变速直线运动位移和时间的关系，通过牛顿第二定律，就能进一步推导出动能定理的关系式。可见本章的知识在整个力学中具有基础性的地位。本章的基础性地位同时还体现在方法和能力方面。用图象来分析物理问题是高中物理的重要数学方法之一，本章第一次让学生根据实验数据来拟合曲线，第一次根据图线的斜率来分析物理问题，第一次用“面积”来处理图象纵坐标对横坐标的积累效果，这些都是今后用图象分析物理问题所必须的。本章公式涉及五个物理量：v0、a、t、v、x，对匀变速直线运动来说，v0和a是常量，t、v、x是三个变量，本章所讨论的v-t、x-t、v-x关系，就是匀变速直线运动变量之间的三组函数关系，本章对这三组变量关系的逐个研究，有利于具体地形成物理过程中常量和变量的概念，有利于用常量和变量的视角来认识物理公式中各物理量的特点和相互关系，这种思维方法不仅是力学而是整个高中物理学认识物理公式的基础。本章教材中关于伽利略建立在实验基础上的科学研究方法，更是学生进一步学习物理学不可缺少的基本素质。本章共6节，前4节逐个学习匀变速直线运动的v-t、x-t、v-x关系，并渗透有关的基本方法；第5节“自由落体运动”，作为一个典型的实例，对匀变速直线运动进行一次个案研究，也是匀变速直线运动规律的具体应用；最后一节“伽利略对自由落体运动的研究”，通过展示伽利略关于自由落体运动的研究历史素材，揭示科学方法和弘扬科学精神。具体来说，本章在编写时有如下思考：1．注重获取知识的过程，培养学生的科学思维和研究方法(1)在教科书中，首先引导学生实际探究某一物体在运动中速度和时间的关系，获取数据，画出图象，进而认识到这个物体的速度—时间图象是一条倾斜的直线。接下来引导学生讨论，这样的v-t图象表示的是什么运动？根据学生在数学课中对线性函数的了解，结合加速度的定义式a=v/t得出：这是一种加速度不随时间改变的匀变速直线运动。因此，如果把物体速度为v0的时刻t0作为计时开始的时刻，即t0=0，把此后任一时刻t的速度记为v，则有在上式中，v0和a是不随时间变化的，不同的时刻￡将对应着不同的瞬时速度v，因而可以得出v随t的变化关系v=v0+at在这个基础上，教材进一步让学生根据各项的含义来理解该关系式：匀变速直线运动加速度“在数值上等于单位时间内速度的变化量，所以at是时间t内速度的变化量，加上运动开始时速度v0的值，就是时刻t的瞬时速度。对匀变速直线运动速度与时间的关系式的探讨，经历了从实验研究中获取数据──做出图象──分析图象──寻找规律──理解规律的过程，对看似简单的问题上却不简约其研究过程，这对刚刚跨入高中大门的学生养成科学的思维习惯和良好的研究态度具有重要的意义。(2)教科书第3节，提供了一份研究匀变速直线运动的真实测量记录，引导讨论“怎样根据测量记录中的数据求出该物体运动的位移”。讨论的结果是，显然不能用任一时刻的速度v乘上整个运动的时间t去计算位移，因为这将导致巨大的误差。但是，测量数据中绘制了6个时刻的速度，其中相邻时刻的时间间隔△t只有0．1s。如果用每段t内的任一时刻（例如开始时刻）的速度乘上△t，然后相加起来，所得位移与真实位移的差别就会减少。这是因为△t内任一时刻的速度与△t内各时刻速度的差别，总是比整个时间t内任一时刻的速度与△t内各时刻速度的差别要小。在这种思考与讨论成果的基础上，教科书从匀变速直线运动的v-t图象出发，利用匀变速直线运动的位移对应v-t图象有关矩形“面积”的思想，讨论并得出了匀变速直线运动的位移公式：。渗透了极限的思想，但没有使用极限的语言，既解决了问题，又留下了今后进一步渗透的空间。其实，把物体运动的位移与其v-t图线下的“面积”相联系，在伽利略和笛卡尔那时就已经提上了科学的议事日程，而真正解决问题的则是牛顿和莱布尼兹发明微积分之后。如果说在得出匀变速直线运动的速度公式时，我们重视获取知识的过程而处理了一个“简单”问题的话，那么在这里，我们是把一个在物理学发展中极为深刻而有效的思维方法，以简约化的方式呈现出来了。这样处理的目的是为了防止教学中仅仅侧重知识点的“吞咽”和“套用”，而忽视了科学思维方法的培养。在物理教学的内容方面，概念的准确和线索的清晰是高中物理教学所必须的，但优秀的物理教学更应该向学生传递一种思考方法、一种科学的视角、一种科学的品位。2．从重大发现的历史过程领悟科学精神、物理思想和研究方法对落体运动的研究成为物理学产生和发展的源头之一不是偶然的。尽管对于今天高中物理教学来说，什么是自由落体运动，自由落体运动的规律是什么，以及自由落体运动加速度g的测量等，都已不再是什么难题了，但是，“智慧博学的亚里士多德何以铸成大错？”“为什么伽利略的工作对于物理学的进步具有及其重要的地位和作用？”“对我们有何教益？”等都自然而顽强地留在青少年的头脑之中，也是物理教学理应回答的问题。在讲授物理学的基本知识的同时，适当地、有选择地介绍重大的历史过程，说明当年的背景，怎样提出问题，遇到什么困难，如何获得突破，曾经有过什么曲折和争论……，教科书专辟一节，题目就是“伽利略对自由落体运动的研究”。这样，不仅使学生有身临其境之感，而且能领悟前辈大师的科学精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鉴。有人说，“学者故章，学问故事的启迪，常常不在学术和学问本身之下。”物理教科书要让学生能从充满哲理的科学故事等多方面吸收科学的信息。同时，教科书还通过“STS”栏目讲述“从伽利略看科学与社会”的问题，让学生感悟科学与社会的关系。这一切都会成为一座座沟通学生学习物理知识、掌握物理思想、热爱物理科学的桥梁。3．在渗透中提高能力要提高解决问题的能力，需要形成科学的思路和掌握基本的方法，科学思路和基本方法的掌握是不可能通过灌输达成的，需要经常、适时地渗透。“一个变化过程在极短时间内可以认为是不变的”，这是一种科学的思路。在力学中，一个变速运动的极短时间可以把它作为匀速运动来处理，一段变力做功的极短位移内可以作为恒力做功来处理；在电磁学中，一个变化的电场（或磁场），在极短的时间内可以把它作为恒定电场（或磁场）来处理，这常常是对待复杂物理问题的一种科学方法。在上一章讲瞬时速度的概念时，用某一极短时间内的△x与△t的比值来表示变速运动的瞬时速度，就包含着这种思想，随后用打点计时器测变速运动纸带的瞬时速度，这种思想又一次得到渗透。在本章中，该思想继续在教学中不断出现，一次又一次让学生得以感受、不断加深。本章第3节“思考与讨论”中，让学生讨论当时间间隔越来越小时把变速运动当成匀速运动来处理所造成的误差会有什么变化；接下去学习匀变速直线运动位移与时间的定量关系时，通过速度图象，运用这种把变速运动的全过程分割成各小段匀速运动的思路推出了关系式；第4节的“做一做”，估算傻瓜照相机的曝光时间，学生又一次经历了把自由落体的一段极短时间内的运动当成匀速运动处理的过程。教材对科学方法与思路的教学采用的是渗透方式，而不是冠以很多名词的说教方式。图象是分析物理问题的重要数学方法。本章第1节“探究小车速度随时间变化的规律”实验，让学生自主经历了数据列表、建立坐标系、描点、拟合曲线、发现规律的过程；第2节在分析匀变速直线运动的v-t图象时，讨论曲线的倾斜程度跟加速度有什么关系，使学生认识图象的斜率的物理意义；第3节推导x-t关系式时，先介绍质点运动的位移在v-t图象中是用一块面积来表示的，进而用一系列矩形面积来表示匀变速直线运动质点在不断运动过程中所产生的位移，在这里，渗透着这样一种认识，纵坐标（速度）对横坐标（时间）的积累效果（位移）是用图象中的一块面积来表示的。也就是说，如何用图象的斜率来量度两个物理量的比值、如何用图象中的一块面积来量度两个物理量的乘积，让学生掌握这些分析物理问题的基本方法进而提高能力，通过具体的实例渗透在有关知识的教学中。4．注重学生的自主学习为了让学生积极参与，勇于实践，教科书在处理匀变速直线运动规律的教学中是从实验探究入手的，自由落体运动规律也是从实验开始的。学生自己做实验，激发探究的兴趣，经过思考、讨论的过程，能逐步培养学生的科学探究能力，形成科学态度。教材重视物理知识与学生生活、现代社会及科学发展的联系中激发学生自主学习的热情，如在“做一做”栏目中提出利用自由落体运动规律测量“傻瓜”照相机的曝光时间。在“问题与练习”中设置开放性、实践性以及应用性的问题，如上海磁浮列车的相关计算、航空母舰弹射飞机装置的相关计算等。教科书还在“说一说”、“做一做”栏目中给学生提出一些思考的问题和活动的资料，如用计算机绘制v-t图象，用光电门研究自由落体运动等，为学生的自主学习提供了具体的课题。第1节探究小车速度随时间变化的规律1．教学目标(1)巩固打点计时器的使用、纸带数据处理和测量瞬时速度的方法；(2)通过实验探究，体验如何从实验研究中获取数据，学会利用图象处理实验数据的科学方法；(3)知道小车在重物牵引下运动速度随时间变化的规律。2．教材分析与教学建议本节内容为探究实验，目的是让学生通过研究小车在重物牵引下运动的速度随时间变化的规律，经历科学探究的活动，学会实验数据的处理方法。这节课的任务是测量小车的速度，做出小车运动的v-t图象，初步分析小车速度的变化规律。体验从实验研究中获取数据、做出图象、分析图象、寻找规律的科学思维方法。使学生认识图象在研究物理问题中的作用；与数学公式相比，图象显得直观、形象、生动，让人一目了然，从而使学生感受到图象法的直观的美。所以，该实验不要放到“匀变速直线运动的速度与时间的关系”之后，否则就违背了探究式学习的宗旨。这节课不要求得出小车运动的加速度，也不要求建立匀变速直线运动的概念。第2节匀变速直线运动的速度与时间的关系1．教学目标(1)知道什么是匀变速直线运动；(2)知道匀变速直线运动的v-t图象特点，知道直线的倾斜程度反映匀变速直线运动的加速度；(3)理解匀变速直线运动的速度与时间的关系式v=vo十at，会用v=vo十at解简单的匀变速直线运动问题。2．教材分析与教学建议在上节实验的基础上，分析v-t图象是一条倾斜直线的意义──加速度不变，由此定义了匀变速直线运动。而后利用描述匀变速直线运动的v-t图象的倾斜直线，进一步分析匀变速直线运动的速度与时间的关系：无论时间间隔△t取得大些还是小些，△v/△t的值都是一定的，由此导出v=vo+at。最后通过两个例题加深对v=vo+at的理解。为了扩展学生的认识，在“说一说”栏目中列举了一个加速度变化的直线运动的例子，让学生进一步加深对物体做变速运动的认识。第3节匀变速直线运动的位移与时间的关系1．教学目标(1)知道匀速直线运动的位移与v-t图象中矩形面积的对应关系；(2)理解匀变速直线运动的位