《自由落体运动》教学案例及反思-黄基利

自由落体运动教学案例黄基利【教材内容分析】新课标有关本节的条目是：（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过程，理解位移、速度和加速度，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。

自由落体运动是一种理想化模型，在高中物理教学中具有特殊的地位。

在知识内容上，它是匀变速直线运动的一个特例，在思维方法上渗透着理想化模型的重要研究方法。

在必修一整个运动学的教学中，匀变速直线运动的教学重点就在于规律的应用，而自由落体运动规律的应用就包含了整个匀变速直线运动规律应用的思维方法，因而本节课对学生怎样分析运动学问题具有重要的指导和意义。

【教学目标】1. 知识与技能（1）知道做自由落体运动的条件，理解影响物体下落快慢的因素；（2）能够利用打点计时器或其他实验仪器分析自由落体的运动轨迹并能分析测量重力加速度的大小；（3）知道自由落体的加速度大小和方向；（4）知道竖直上抛运动与自由落体运动的相同点和不同点，并能解决竖直上抛运动的简单题型。

2. 过程与方法（1）培养学生的观察能力和逻辑推理能力；（2）进行科学态度和科学方法教育，了解研究自然规律的科学方法，培养探求知识的能力；（3）通过对重力加速度测量的实验探究，初步会进行探究实验的设计。

（4）初步了解探索自然规律的科学方法。

培养学生的观察、概况能力。

3. 情感态度与价值观（1）调动学生积极参与讨论的兴趣，培养逻辑思维能力及表达能力；（2）渗透物理方法的教育，在研究物理规律的过程中抽象出一种物理模型——自由落体。

（3）通过实验，培养学生的合作精神。

三、重点、难点【学习者特征分析】学生已经学习了位移、加速度、时间等描述运动的知识，而且对匀变速直线运动规律的应用方面具有一定的基础。

日常生活中，落体运动的现象随处可见，学生对这种运动也有了初步的认识，然而对自由落体运动的概念以及如何探究自由落体运动的规律还存在一定的不足，需要教师课堂上引导学生通过实验来探究其运动规律。

【教学策略选择与设计】本节课总体上采用“设定情景，提出问题”——“师生探讨，分析问题”——“设计方案，计算求解”——“总结规律，拓展练习”的主线开展。

首先通过一个游戏来初步认识落体运动，进而思考并用实验得出做自由落体运动的条件，然后师生通过设计实验来验证自由落体运动的性质并共同探讨“怎样测量重力加速度？”的问题。

总体上，教师先提出问题，学生开展讨论设计实验方案并进行理论推导计算；教师给出方案，学生自由探讨计算，并在教师的指导下完成实验并得出结论。

【教学重点及难点】重点：1.探究自由落体运动规律的过程2.理解自由落体运动特点和规律3.体会伽利略的科学推理方法难点：理解自由落体运动特点和规律、重力加速度的测量。

【教案设计】（一）新课引入师：上课之前，我们来做一个游戏。

这里有一张4cm*7cm的饭卡，我手捏饭卡的上端，请同学们派一个代表手靠近下端。

当老师松手后，请这位同学试着在手不上下移动的情况下抓住饭卡。

如果连续三次能抓住饭卡，大家就用这张饭卡吃中饭，好不好？学生产生极大的兴趣，个别好胜心强的同学会上讲台试着抓饭卡，但结果都失败。

师：我可以很大胆的说，没有一个同学可以连续三次抓住饭卡，即使一个非常机灵的成年人也不可能，这是为什么呢？今天我们就通过这节课的学习来解决这个问题。

（二）探究新课：自由落体运动师：手松开后，饭卡开始竖直下落，我们把这种运动叫做落体运动。

那么同学们在日常生活中还遇到哪些类似的运动或现象？说明：让学生展示对物体下落已有的经验认识，并引导学生注意观察身边物理现象，体会到物理知识就在我们身边，感悟物理规律研究的价值。

生：1.雨滴从叶片上落下来；2.成熟的苹果落到地上；3.小石子从楼顶上掉下来……师：大家这么一说，生活中原来有这么多的落体运动，那么请大家思考一个问题，如果把重的物体和轻的物体从同一高度下落，谁会先落地呢？【演示实验一】左手拿一金属片，右手拿一张纸片，双手举至相同高度，然后同时释放，观察二者谁先落地；将纸片揉成纸团，再重复上面的实验，再观察二者谁先落地？生：第一次是金属片先落地；第二次是大概是同时落地。

师：思考怎么会出现两种截然不同的结果，物体下落的快慢是否与物体的质量有关，为什么？生：两次实验，两个物体的质量都不变，但出现不同的结果；第二次，金属片与纸团质量不相同，但看起来好像是同时落地，所以我认为物体下落快慢与物体质量无关。

师：既然和物体质量无关，你觉得物体下落快慢可能与哪些因素有关。

说明：让学生对已有观点进行分析和比较，提出新的问题，然后对新问题进行进一步的研究。

对已有现象和结论进行进一步的思考和分析是科学研究的起点。

生：1. 第一次下落的时候，纸片好像是飘下来的，我想应该和空气阻力有关；2. 两次实验金属片体积不变，但纸片展开的面积大小不同，所以我认为下落快慢与物体的面积大小有关；3. 我个人觉得纸片展开的面积大小不同，说明受到的空气阻力大小不同；面积小，受到的阻力小。

因此，物体下落快慢主要还是与空气阻力大小有关。

师：这几位同学都说得非常好，都能分析出物体下落快慢可能与空气阻力有关，而且第二位同学的观点被第三位同学进行了升华，观点非常鲜明。

当然，上面的论述还都是停留在猜想阶段，物体下落快慢到底是否真与空气阻力有关还需要进一步来验证。

当物理现象可能与某个因素有关时如何研究下去？可通过实验进行进一步的研究；也可以通过科学的推理进一步研究。

下面先通过实验来研究空气阻力和重力对物体下落的影响。

请同学们针对这个问题设计实验。

说明：对于遇到的问题和困难如何进一步研究下去，这是要让学生体会的，因此在学习中不要只给学生唯一正确的方法和过程，让学生尝试中体验成功和失败的快乐。

生：1. 拿两张相同的纸张，一张揉成纸团，另一张不变；让它们一起下落。

那么观察到现象来说明空气阻力对物体下落的影响。

（空气阻力阻碍物体向下运动，没有阻力情况下物体运动的快）2．拿重量不一样的木球和和铁球（表面积相同），让它们一起下落。

拿重量不一样的纸片和硬纸片让它们一起下落。

这组实验发现在有空气阻力和没有空气阻力的情况下物体下落情况不一样。

3．……师：从同学们的实验可以得出什么结论？生：1．空气阻力对物体下落是有影响的，同一物体受到空气阻力时运动的较慢；2．当有受到空气阻力时物体下落还与物体重力有关3．当物体在没有受到空气阻力的情况下，物体下落的快慢似乎与重力无关师：从以上讨论中，我们可以发现空气阻力对物体下落的确有影响，而且较为复杂。

下面来看老师的这个实验，大家仔细观察并思考你从中能得到怎样的结论。

【演示实验二】实验装置如右图所示，在一根长约1.5m的玻璃管中，放入一些形状和重力均不同的小物体，如羽毛、金属片、软木塞、小玻璃球等。

演示实验时按如下步骤：（1）不抽出玻璃管中的空气，将玻璃管倒立过来，观察物体下落情况（2）抽去玻璃管中部分空气，将玻璃管倒立过来，观察物体下落情况（3）继续抽泣玻璃管中空气，再将玻璃管倒立过来，观察物体下落情况在师：从该实验中，同学们看到什么现象，从这些现象中说明了什么问题？说明：演示实验的功能是为了揭示现象的本质，提高学生学习的兴趣；演示实验中如何提高学生观察的兴趣是教师在完成实验过程中要考虑的；本演示实验并没有一下就做“真空”情况下，物体下落的情况；而是不断地抽出玻璃管中的空气，观察减小物体下落阻力，物体的运动情况；这样每次实验现象均不相同，有利于形成科学的观察习惯和观察敏锐性。

生：1. 玻璃管中空气越少，那么物体运动快慢越一致2. 可以推出在没有空气阻力的情况下，轻、重物体下落的一样快师：同学们说得很好，在没有空气阻力的情况下，轻、重物体下落一样快。

这种运动具有普遍性，我们就把在没有空气阻力的情况下物体只受重力作用从静止开始下落的运动叫做自由落体运动。

当然，在日常生活中许多物体下落时受到的空气阻力很小，与物体的重力比较小的很多，常常可以忽略不计，所以日常生活中的这种运动也可以近似看成是自由落体运动。

在学生得出不同物体自由落体运动情况一样后，教师介绍伽利略是如何对亚里士多德对物体下落的研究结论产生怀疑，并通过推理进行进一步分析得出轻、重物体下落是一样快的。

他说如果重的物体先落地，那么把轻的物体和重的物体栓在一起，那么它比重的物体还重，根据亚里士多德的观点它下落的地面的时间应比重的物体短；但我们再根据亚里士多德的观点，重物下落的比轻物快，那么在下落过程中，重物会受到轻物的牵扯而变慢，轻物会受到重物的牵扯而变快；那么拴在一起的物体下落的速度应比重物下落的速度慢；这样伽利略就用亚里士多德的观点推出两个互相矛盾的结论，这说明亚里士多德的观点是有缺陷的，因此伽利略认为轻、重不同的物体它们下落的速度是一样的。

为了说明他对物体下落的结论是正确的的，据说他在比萨斜塔上把木球和铜球同时下落，发现它们几乎同时落地。

（三）探究自由落体运动的性质师：那么自由落体运动是什么性质的运动呢？研究某一种运动性质，往往是从运动的轨迹、初速度和速度怎么变化（即加速度大小）入手来研究的。

【演示】铁球自由下落，请同学们观察并思考自由落体运动是什么性质的运动。

生：1. 自由落体运动的运动轨迹是一条直线，且初速度为零；2. 铁球的速度在不断变大，说明自由落体运动有加速度，物体是做加速运动，。

师：那么要研究这个问题，首先需要测量出哪些物理量来研究才好？生：大概是匀变速直线运动，需要测量出物体自由落体运动速度大小，而自由落体运动的速度在不断变大，还需要测量物体的运动加速度。

师：这位同学说得非常好，认识物体的运动就是确定物体的速度是如何变化的，即知道物体运动的加速度就能知道物体的运动速度的变化规律，知道物体的速度变化规律就能知道物体的位置变化规律。

因此，现在的问题就归结到物体做自由落体运动速度是怎么变化的，是随时间均匀变化，还是非均匀变化。

如果速度随时间均匀变化，就是匀加速，加速度恒定；如果速度随时间不是均匀变化，就是变加速，加速度不是一个定值。

师：回忆我们之前所学内容，请大家思考一下如何测量自由落体运动的速度？请你设计一个实验方案来研究自由落体运动速度随时间变化的规律？生：1. 采用打点计时器把做自由落体运动物体的轨迹记录在纸带上，然后研究纸带上各个计数点的速度，然后来研究速度随时间变化的规律。

2. 可以采用老师上次说过的频闪照相的方法。

师：这两位同学提出的方案非常好，可以说是学以致用，把前面所做的两个实验用到了我们今天这节课堂上来。

其实，不管是打点计时器还是频闪照相，其原理都是一样的。

那么，请大家思考，如果我们采用打点计时器的方法来研究自由落体运动的规律，在做实验的时候需要注意哪些问题？生：1. 做自由落体运动的物体只受重力作用，不能存在阻力，因此，做实验时需要让纸带和打点计时器的摩擦尽可能小；2. 自由落体运动初速度为零，所以做实验时要保证物体初速度要为零。