自由落体运动教学设计

第三届全国大学生物理教学技能大赛1《自由落体运动》依据：人民教育出版社出版的普通高中课程标准实验教科书高中一年级《物理》必修1第二章第四节内容。一、教学任务分析在力学知识体系中，运动学的内容是研究力学定律的基础。而匀变速直线运动是一种理想化的运动模型，是研究物体运动的知识前提。自由落体运动作为匀变速直线运动的一个特例，与实际比较接近，更加形象的诠释了初速度为零的匀变速直线运动的规律，因此，在物理学体系中具有特殊地位。《普通高中物理课程标准(实验稿)》对本节课的要求是：“通过史实，了解伽利略研究自由落体运动所用的实验和推理方法”。“通过实验研究质量相同、大小不同的物体在空气中下落的情况，从中了解空气对落体运动的影响”。因此，本节教学内容要体现实验在认识自由落体运动规律中的作用，并通过介绍伽利略对自由落体运动的研究，体会科学研究方法对物理学发展的作用。在教材中，《自由落体运动》一节，编排在运动学的基本概念和匀变速直线运动等知识后，是匀变速直线运动的一个特例。在整个必修1的安排上，匀变速直线运动的教学重点在于规律的应用，自由落体运动的新课教学侧重于培养学生的科学探究能力及逻辑思维能力，对促进学生的全面发展具有重要意义。通过对自由落体运动这种常见的、特殊的运动的研究，可以更好的对前面知识复习和巩固，同时也加强了物理学习与实际生活的联系。而且通过在授课过程中讲授研究物理问题的基本思路和科学方法，为以后研究比较复杂的运动规律打下良好的基础。因此本节课是培养学生思维的研究课，联系生活的应用课，也是为后面课程做知识准备的铺垫课。所以本节课在本章中具有重要的地位和作用。二、学生学情分析学生通过对前面知识的学习，已经对匀变速直线运动规律有了初步的理解，也学习了打点计时器的使用和数据处理方法，具备了一定的实验探究能力。根据生活经验，学生对自由落体运动规律有一定认识，但并不科学严谨。学生会有“重的物体下落快”的认识，这是学生在日常生活中形成的前概念。并且，学生对落体运动的认识，只是表面的感性认识，需要通过实验探究进一步理性学习。在探究“自由落体运动性质”的过程中，要求学生对打点计时器会操作，并掌握相应的第三届全国大学生物理教学技能大赛2注意事项，同时，对实验数据的处理需要联系数学知识，“逐差法”的灵活运用是一难点。因此探究自由落体运动规律和重力加速度的得出过程是教学难点。三、教学目标1.知识与技能（1）知道自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。（2）知道自由落体运动加速度大小和方向，知道不同地点重力加速度不一样。（3）理解自由落体的规律。2.过程与方法（1）在实验探究自由落体运动特点和规律的过程中，学习伽利略使用的理想实验与科学推理方法。（2）在实验探究物体下落的快慢的过程中，进一步树立科学态度。3.情感态度与价值观在研究自由落体运动的实验过程中，体会科学探索的艰辛，学习伽利略等科学家的科学精神。四、教学重点和难点教学重点：探究自由落体运动，重力加速度g。教学难点：重力加速度的测量。五、教学器材自制“反应时间尺”：在一约40cm长的尺的一面标记上自由下落对应长度所用的时间，使用时，标有反应时间一面面朝学生。多媒体、钢球，乒乓球，纸张若干、牛顿管、电磁打点计时器、重物等。六、教学过程设计（一）利用实验创设情境，引入新课【事件1】利用实验激发学生的求知欲。教师展示课前设计制作好的“反应时间尺”，并提出问题“一般刻度尺是用来测量什么的？”。学生回答。教师继续设置悬念：这把尺子很神奇，它不仅能测量长度，还能测量时间，并且能测第三届全国大学生物理教学技能大赛3出同学们的大脑反应时间。并选3～4名学生上来测反应时间。学生抓住尺的同时就报出其反应时间，可采用“比比谁的反应时间短”的方式调动学生积极性。提出问题，引入新课：反应时间尺的原理是什么？学完本节课的内容，我们就可以揭晓这个秘密了。【教学设计说明】在此将教材中的“做一做”栏目中的“测定反应时间”改为放在课前引入，目的是通过这一游戏产生“惊奇”效果，激发学生探究的兴趣，增强学生的感性认识，活跃课堂气氛。（二）探究落体运动的影响因素【事件2】引导学生回忆日常生活中所见到的物体下落现象（动画展示苹果、雨滴、水滴的下落过程），思考“物体下落的运动有什么特点，是一种什么性质的运动呢?”。教师提出问题：“不同的物体，下落快慢是否相同？物体下落的快慢可能与什么因素有关？”。学生说出猜想与假设后，教师追问依据。【事件3】教师演示系列实验，使学生产生认知冲突。演示实验实验现象实验结论实验①钢球①和乒乓球②（G1G2），在同一高度同时自由下落。钢球①先落地较重的先落地教师说明：这个结论与2000多年前世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家之一亚里士多德（前384—前322年）的观点相同。教师课件展示亚里士多德的观点——重的物体下落快。提出问题：有没有学生不同意亚里士多德的观点。然后学生讨论：在生活事例中找支持与反对的证据。演示实验实验现象实验结论实验②一张纸裁成相等的两半（G1=G2），一半揉成纸团，另一半不变；在同一高度同时自由下落。纸团先落地等重的落地有先后实验③纸片①和纸块②（G1G2），在同一高度同时自由下落。纸块②先落地较轻的先落地第三届全国大学生物理教学技能大赛4学生活动：总结实验结果，得出“物体下落快慢与质量无关”的结论。【教学设计说明】“自由落体运动”一节的教学建立在实验基础上，可以结合学生原有的认知结构，利用实验创设问题情境，使学生发现值得探究的问题。使用生活中的铁球、乒乓球与纸张，做演示实验，两物体的质量明显不同，实验简单现象明显，观察到的现象与学生头脑中的重的物体先落地的前概念形成冲突。演示过程中，从纸片到纸块的过渡，可诱发学生思维，猜想到空气阻力的影响，从而引出下一步思维。【事件4】验证猜想。教师提出问题：既然物体下落快慢与其质量没有必然联系，实际生活中物体下落快慢不同可能是受什么因素的影响？学生猜想：从实验现象和生活经验可以猜想到是空气阻力影响。教师演示实验，学生参与观察分析。演示实验4：牛顿管演示实验实验装置如图所示，在一根长约1.5m的玻璃管中，放入羽毛、金属片。实验步骤及实验现象如下表所示：实验步骤可以观察到的现象1.不抽出玻璃管中的空气，将玻璃管倒立过来。金属片先于羽毛落到管的底部。现象与生活中看到与想到的一致。引导学生思考、猜想，抽出管中部分空气，会有什么现象发生。实验步骤可以观察到的现象2.抽去玻璃管中部分空气，将玻璃管倒立过来。金属片先于羽毛落到管底部，但两者落到管底的时间差变短。现象与猜想一致。引导学生思考、猜想，继续抽出管中空气，会有什么现象发生。实验步骤可以观察到的现象3.继续抽去玻璃管中空气，再将玻璃管倒立过来。金属片和羽毛几乎同时落到管的底部。现象与猜想一致。引导学生思考、猜想，想象管中没有空气，会有什么现象发生。第三届全国大学生物理教学技能大赛5实验步骤可以观察到的现象4.如果抽出玻璃管中所有空气，再将玻璃管倒立过来。金属片和羽毛同时落到管的底部。在教师的引导下可以从实验中得出结论——物体下落受到空气阻力的影响，没有空气阻力时，物体下落过程中运动快慢与质量无关。【教学设计说明】牛顿管实验，使学生认识到空气阻力在落体运动中的影响，演示结束后，教师总结说明使学生认识到，探究现象背后的实质原因必须考虑或排除外界因素干扰，学习猜想与假设、设计实验、验证猜想、理想实验等实验探究方法。（三）自由落体运动概念的建立【事件5】分析归纳形成概念。教师提出问题：由于落体运动受到空气阻力影响，要想研究落体运动就必须排除空气阻力，那么，如果物体在下落过程中忽略空气阻力，物体的受力有什么特征?学生回答。教师根据学生的回答，得出自由落体的定义“物体仅在重力作用下，从静止（即初速度为零）开始竖直下落的运动，叫做自由落体运动。”【教学设计说明】教师强调自由落体运动实际上是一种理想条件下的运动，实际生活中物体都会受到空气阻力，但一般重力大于空气阻力。在中学阶段，当空气阻力远小于重力时，可近似看做自由落体运动。（四）自由落体运动规律的自主探究【事件6】引导学生实验探究自由落体运动的规律教师提问：若要研究某种运动规律，我们可以采用怎样的方法和器材？带领学生回顾前面学习匀变速直线运动的体验，可想到，利用打点计时器采用示踪（轨迹记录）法研究，并一起回顾电磁打点计时器的使用方法和注意事项。学生活动：分组实验，利用打点计时器记录重物的下落过程，求出重物的加速度，并总结自由落体运动的规律。（教师巡视学生实验情况，必要时给以指导）师生共同总结自由落体运动的规律，轨迹是直线，方向竖直向下，是变速运动，速度越来越大。并指出由于阻力远小于重物的重力，故重物的下落可看作是自由落体运动，所以同学们计算的结果基本一致。【教学设计说明】学生已使用过电磁打点计时器探究匀变速直线运动的规律，所以可以让学生自主探究，得出自由落体运动的相关规律，但教师应指出由于自由落体运动与水第三届全国大学生物理教学技能大赛6平方向匀变速直线运动方向上的显著区别。在实验过程中为了减小误差，电磁打点计时器必须固定在竖直方向上，为充分利用课堂时间，教师可事先将电磁打点计时器竖直固定在铁架台上，再分发给学生，强调在试验过程中学生不要碰到电磁打点计时器，以免影响实验数据。（五）重力加速度【事件7】根据以上的实验数据，引出重力加速度的概念，并对重力加速度作如下说明：（1）用g表示，单位2/sm。（2）方向——竖直向下。（3）地球上同一地点，一切物体的重力加速度都相等；不同地点重力加速度不等，通常取g=9.8m/s2。教师活动：引导学生由课本重力加速度在不同纬度的大小变化，得出“重力加速度大小随纬度的增大而增大”的变化规律。【教学设计说明】重力加速度的定义较简单，可让学生自己阅读课本，重力加速度大小随纬度的变化也比较明显学生很容易得出结论，可加快上课速度。（六）自由落体运动的基本公式【事件8】从匀变速直线运动的规律导出自由落体运动的规律教师活动：如何计算做自由落体运动的物体的速度和位移？学生活动：在教师的引导下，分析得出自由落体运动是初速度为0的匀变速直线运动，故匀变速直线运动的基本公式都适用于自由落体运动，只须令这些公式中的初速度v=0，加速度a取为g即可，得:v=v0+atv=gts=v0t+at2/2h=gt2/2v2-v02=2axv2=2gh【教学设计说明】教师只要提示到，自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动，学生很自然会推到出自由落体运动的基本公式，有助于培养学生的自主分析能力。（七）反馈练习【例】2011年7月2日，杭州白金海岸小区，两岁女童妞妞从10层高楼坠落。就在第三届全国大学生物理教学技能大赛7此时，正在楼下的吴菊萍甩掉高跟鞋，奋不顾身地冲过去，用双臂接住了孩子，之后两人均陷入昏迷。设每层楼高2.8m，吴菊萍从她所在的地方冲到一楼窗口下需要的时间是1.3s。请估计一下，吴菊萍要接住孩子至多允许她有多长的反应时间。（2/10smg）解：孩子位于的高度：h=2.8×10m=28m孩子的运动近似看做自由落体运动：将h代入上述公式，求的孩子下落的时间为：st4.2故允许她的最长反应时间为：t=2.4s－1.3s=1.1s。【教学设计说明】用生活中的实例使学生切身感受到物理应用在生活中的方方面面，有利于锻炼学生从生活中抽象出物理模型并应用物理知识解决问题的能力，体现了《标准》中从生活走向物理，从物理走向社会的教学理念。（八）课堂小结主要由学生总结，提出几个问题来引导，以提高学生的总结和归纳能力。(1)在本节课中，你学到了什么知识?(2)在本节课中，你学到了什么科学研究方法？(3)在本节课中，你有什么体会？还存在什么疑问？【教学设计说明】以上3个问题的侧重点不同，侧重点依次侧重于对知识点的回顾，对物理科学研究方法的提炼和强调，以及学生体会研究的过程和方法等。（九）布置作业布置课后题2、3、4为作业题。教师提出前后照应的问题：如何解释反应时间尺的原理？要求学生课后讨论，并自己动手设计制作反应时间尺。提示学生运用自由落体运动规律。【教