2.4 自由落体运动 教学设计 -2024-2025学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

4 自由落体运动 教学准备 教师准备 1．制作本节课的多媒体课件。 2．准备实验器材：除与学生准备的相同以外，再准备电磁打点计时器1个（附铁架台、重锤、纸带、学生电源）、牛顿管1个（附抽气机1台）。 学生准备 一元硬币1枚、与一元硬币等大的纸片1张、等大的白纸2张、小石子1颗。 导入新课 导入一（复习导入） 教师 提出问题，引导学生复习旧知。 （1）做初速度为0的匀加速直线运动的物体，在ts时间内发生的位移是sm。试写出加速度a的表达式。 （2）一个质点做直线运动，测得它在 ·时刻的速度分别为已知且·在Δv1、·之间满足什么关系时，质点做匀加速直线运动？ （3）已知一物体做匀变速直线运动，加速度为a，试证明：在一段时间t内的平均速度等于该段时间中点时刻的瞬时速度。 学生 独立证明，板演回答。 共同归纳总结： 由（1）得，当s、l相同时，a相同。 由（2）得时，该质点的运动一定是匀加速直线运动，给我们提供了一个判断质点是否做匀变速直线运动的方法。 由（3）得到了一种求解做匀变速直线运动的物体在某一时刻瞬时速度的方法。 教师 进行演示实验1：将粉笔头从空中由静止释放。 针对实验现象，提出问题：它做的是一种什么性质的运动呢？ 教师 进行演示实验2：将一小球用细线悬挂在铁架台上。 针对实验现象，提出问题： （1）挂在细线下静止的小球，受哪些力的作用？ （2）如果把细线剪断，小球下落过程中受哪些力的作用？ （3）那么小球将在什么方向上运动？ （4）这就是我们常见的物体自由下落的现象，将轻重不同的物体从同一高度同时由静止释放，它们下落的快慢相同吗？ 教师 我们今天就共同来研究探讨这些问题。 导入二（游戏导人） 教师 准备一根米尺，让其自由下落，与此同时，让一位同学伸手抓住下落的尺子，用米尺的读数测量同学的反应时间。 教师 我们是如何用米尺测量反应时间的？今天我们就一起来研究相关问题。 左右手各放一个盘子和一个气球，置于同一高度，同时松手，让学生观察二者的落地情况。 学生观察后得出：盘子先落地。 教师若将气球放在盘子上，盘子和气球谁先落地？ 学生提出猜想： （1）盘子先落地，气球缓慢下落。 （2）二者同时落地。 （3）盘子落地，气球上升。 教师 进行实验演示，让学生观察。 可以发现二者同时落地。 通过实验对比，请大家思考一下：物体下落的快慢与什么因素有关？ 教学过程 环节一：自由落体运动 思路一 师生 探究活动：轻重不同的物体下落快慢是否相同。 教师 引导学生分组讨论，设计实验方案，利用准备好的器材做实验，观察现象，然后提出问题，让学生分组交流，展开辩论。 实验1：将一元硬币与等大的纸片从同一高度由静止释放，观察谁落地快。 提问：能不能得出物体越重下落越快？ 实验2：将一小石子与一比小石子重的大纸片从同一高度由静止释放，观察谁落地快。 提问：能不能得出物体越轻下落越快？ 小结：从观察到的现象看，物体下落的情况比较复杂，直观感觉和经验告诉我们，有时重的物体下落快，有时轻的物体下落快，物体下落的快慢不仅与重力有关，还与其他因素有关，对具体问题要具体分析。 提问：那么是什么因素在起作用呢？ 实验3：取两张完全相同的白纸，它们的重力相同，这样重力对下落的作用是一样的，把其中一张白纸揉成纸团，让它们从同一高度由静止释放，观察谁落地快。 提问：重力相同的物体能否同时落地，为什么？ 实验4：取一元硬币1枚，与一元硬币等大的纸片1张，将纸片揉成团，让它们从同一高度由静止释放，观察谁落地快。 提问：物体下落的快慢与重力有关吗？那么为什么有时重的物体下落快呢？是什么因素在起作用呢？ 学生可能是空气阻力的作用。 教师如果没有空气阻力的话，物体自由下落的情况会怎样呢？我们通过实验来检验。 教师演示牛顿管实验，引导学生观察现象。 得出结论：若无空气阻力，不同物体自由下落的快慢相同。 归纳总结：物理学中，把物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫作自由落体运动。在日常生活中，物体下落时不可能不受空气阻力，如果空气阻力对于重力而言很小而可以忽略的话，物体由静止下落的运动就可以看成自由落体运动。所以，自由落体运动是一个理想化的过程，通过理想化突出主要因素，忽略次要因素，从而使问题简单化，这是物理学中常用到的一种研究问题的科学方法。 小试牛刀 某同学在探究自由落体运动的规律时，从生活情境中选出处于不同状态的四种物体进行探究，你认为哪一个选项中的物体所做的运动是自由落体运动 ( ) A.从树上飘落的树叶的运动 B.由静止开始下落的小钢球的运动 C.被运动员推出去的铅球的运动 D.从水面自由落到水底的石子的运动 解析 从树上飘落的树叶，阻力不是远小于重力，A错误；由静止下落的钢球，由于初速度为0，G》Fm，故可以看成自由落体运动，B正确；被推出去的铅球，由于初速度，C错误；从水面自由落到水底的石子，由于不是远小于重力，D错误。 答案 B 思路二 1．实验探究，感知概念 物体的下落快慢与什么因素有关？ 学生讨论并猜测：可能与物体的重量、空气阻力有关。 我们猜测“重量和空气阻力”两个变量可能会影响物体的下落快慢，如果我们要讨论物体下落运动的快慢是否与重量有关，那么我们应该怎么做？ 学生做实验，抽走空气。 进行演示实验（牛顿管实验）；利用抽气机抽走牛顿管中的空气后，同时释放其中的羽毛和铁片。 甲 乙 学生观察实验现象，发现：羽毛和铁片同时落地。 学生得出结论：物体下落的快慢与重量无关。 小结：物体下落的过程中只受到重力的作用，我们把这种物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫作自由落体运动。 教师通过这个定义，请大家思考一下：物体做自由落体运动需要满足什么条件？ 学生初速度为0，只受重力作用。 现实生活中，物体能否做到只受重力作用？如果不能，应该怎么看待自由落体运动？ 学生不能。当空气阻力非常小的时候，我们可以忽略空气阻力。 实验演示：将牛顿管内充满空气，然后同时释放羽毛和铁片，观察发现铁片先落地。 学生观察实验得出：铁片下落可以看成自由落体运动，羽毛下落则不可以。 教师羽毛下落为什么不可以看成是自由落体运动？ 学生羽毛所受空气阻力相对于其自身重力较大，故不能忽视羽毛所受的空气阻力。 教师总结：忽视与重视同等重要。 历史拓展：早在2000多年前，哲学家亚里士多德认为“物体越重下落得越快”。16世纪，伽利略对此产生怀疑。假设亚里士多德的观点是正确的，那么就会产生矛盾的结果，即“物体越重下落得越慢”。 2．实验探究，理解性质 演示小球做自由落体运动，引导学生猜想：物体在下落过程中做什么运动？学生猜想：匀加速直线运动。 教师 测量小球做自由落体运动的时间与位移，位移与时间满足，即可证明自 由落体运动为匀加速直线运动。 教师 进行实验。 学生 发现：实验过程中，小球下落的过程很快，很难测量小球下落到某一位置的时间。 教师 历史拓展：当年，伽利略也遇到了同样的困难。于是，他想出了用铜球在斜面上做实验，将轨道角度变小，减缓小球的运动速度。 师生 进行实验：轨道倾斜放置，测量小球运动到某一位置的时间，验证小球在斜面上做匀加速直线运动，即h-t2图像是否为倾斜的直线。 教师 合理外推：调整斜面倾斜角度至90°，即可得到自由落体运动的性质-初速度为0的匀加速直线运动。 教师 科学思维习惯：问题→猜想→推理→实验验证→合理外推→结论。 小试牛刀（多选）关于自由落体运动，下列说法中正确的是 ( ) A.它是、方向竖直向下的匀加速直线运动 B．在开始连续的三个1s内通过的位移之比是1：3：5 C．在开始连续的三个1s末的速度之比是1：2：3 D．从开始运动到下落4.9m、9.8m、14.7m所经历的时间之比为1：2：3 解析 由自由落体运动的性质可知，A正确；由自由落体运动的比例关系式可知，B、C正确；由比例关系式可知，从开始运动到下落4.9m、9.8m、14.7m所经历的时间之比为1：2：3，D错误。 答案 ABC 环节二：自由落体加速度 思路一 教师 介绍伽利略如何用简单明了的科学推理，巧妙地揭露了亚里士多德学说内部的矛盾，并推断自由落体运动是一种匀加速运动。伽利略用科学推理揭示自然规律的方法，对现代的科学研究仍然有着重要的指导意义。下面我们就用实验来研究自由落体运动，并揭示出它的规律。 师生 共同进行实验。 用打点计时器打出若干条重锤自由下落运动的纸带，并将打出的纸带分发到各学生小组。 学生 分组进行有关测量，测出相邻点间的距离s，计算出各点的瞬时速度及重锤运动 的加速度。 师生 交流并展示结果，归纳总结： （1）自由落体运动是初速度为0的匀加速运动。 （2）在同一地点，一切物体在自由落体运动中的加速度都相同．这个加速度叫作自由落体加速度，又叫重力加速度，用“g”表示，方向竖直向下，通常情况下，粗略计算时，也可取10m／s2。 教师 引导学生按匀变速直线运动的知识推导出自由落体运动的规律，并到黑板上推导。 学生 得出自由落体运动的规律： 小试牛刀（多选）下图中可以表示物体做自由落体运动的是 ( ) A B C D 解析 自由落体运动的速度公式为v=gt，可知t=0时v=0，且v与t成正比，A错误，B正确；自由落体运动的加速度恒为g，C正确；由自由落体运动的位移公式可知，x与t2成正比关系，D错误。 答案 BC 教师 我们运用了物理学中的理想化方法，从最简单、最基本的情况入手，抓住影响运动的主要因素，去掉次要的非本质因素的干扰，建立了理想化的物理过程-自由落体运动。理想化是研究物理问题常用的方法之一，在后面的学习中还要用到。 通过分析处理实验数据，我们得出了自由落体运动的概念，结合匀变速直线运动的规律，推导出自由落体运动的规律。 要学会研究问题的方法，而不仅仅是知识本身。知识的结论当然重要，但更重要的是如何获取知识和处理知识。 设计意图 利用对打点纸带的分析，得出自由落体运动的性质和特点。利用牛顿管实验，推导得出：同一地点，不同物体的自由落体加速度是相同的结论。利用前面学过的匀变速直线运动的规律及自由落体运动的特点，总结出自由落体运动的规律。 思路二 3．实验探究，总结规律 分组进行实验：利用打点计时器纸带测量重力加速度。 教师 总结：重力加速度，方向竖直向下。在同一地点，一切物体自由下落的加速度大小都相同。 学生 得出结论：运动学规律也适用于自由落体运动。公式 均成立。 观察图表，得出结论：纬度越高，重力加速度越大。 地点 纬度 赤道海平面 0° 9.780 马尼拉 14°35' 9.784 广州 23°06' 9,788 武汉 30°33' 9.794 上海 31°12' 9.794 东京 35°43' 9.798 北京 39°56' 9.801 纽约 40°40' 9.803 莫斯科 55°45' 9,816 北极 90° 9.832 4．总结新知，情境回顾 （1）知道自由落体运动的定义：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫作自由落体运动。 （2）理解自由落体运动的性质：初速度为0的匀加速直线运动。 （3）知道重力加速度的大小和方向：，方向竖直向下。 教师 请大家回想一下我们前面进行的“抓尺子”的游戏，再想想我们是如何用米尺测量反应时间的。 学生 米尺由静止释放做的是自由落体运动，利用自由落体运动的位移公式，在不同的刻度处标上相应的时间即可。绝大多数同学的反应时间在0.15～0.18s。 师生 总结：结合实验以及教材上不同地区的自由落体加速度，认识自由落体加速度的特点。根据自由落体运动的性质，结合匀变速直线运动的内容得到自由落体运动的规律。 自由落体运动公式：公式v=gt均成立。 （1）速度公式：v=gt。 （2）位移公式： （3）位移与速度的关系式：。 5．智慧学习，知行合一 教师 请大家分组设计实验，利用手机（拍照功能）、米尺、小钢珠设计实验方案，估测本地的重力加速度。 要求：完成表格及图像，计算加速度。 计数点n 0 1 2 3 4 5 6 时刻／s 0.00 0.06 0.1 0.18 0.24 0.30 0.36 位置／cm 下落位移h，／m 学生 分组设计实验，进行实验，根据实验中得到的数据，完成图表，并得出本地的重力加速度。 小试牛刀（多选）关于自由落体加速度，下列说法中正确的是 ( ) A.物体的质量越大，下落时的加速度就越大 B.在同一高度同时由静止释放一大一小两个金属球，二者同时着地，说明二者运动的加速度相同，这个加速度就是当地的自由落体加速度 C．北京的自由落体加速度为9.8m／s2，说明在北京做自由落体运动的物体每经过1s速度增加9.8m／s D.北京和深圳的自由落体加速度方向都是竖直向下 解析 自由落体运动是忽略空气阻力的运动，无论质量大小，物体下落时的加速度都是g，A错误；在同一高度释放的金属球受到的空气阻力远小于金属球的重力，金属球做自由落体运动，故金属球运动的加速度为当地自由落体加速度，B正确；加速度等于单位时间内速度的变化量，当地自由落体加速度为9.8m／s2，则物体在该处自由下落的过程中，每秒速度都增加9.8m／s，C正确；地球表面各处的自由落体加速度值的大小略有差别，但其方向均为竖直向下，D正确。 答案 BCD 物理·必修第一册 设计意图 让高中物理越来越生活化、实验化，让学生感觉到物理就在我的身边，这样容易激起学生的兴趣，使全班同学都积极参与到讨论之中，顺利地测出了重力加速度的大小。借用实际应用-抓尺子，通过测学生反应时间的游戏，让学生在做的过程中体会学习物理的乐趣，使知识掌握更为牢固，达到了良好的教学效果。 核心总结 本节课的教学设计从新课程标准出发，定位于对学生进行物理学研究方法的教育。恰当分析学情，将学生已有的生活知识考虑在内，使教学起点尽量定位准确，并从核心素养要求，确定教学要求以及教学重点和难点。教学过程中，从实验引入课题，层层设问，引发学生思考，让学生产生思维矛盾冲突，以激发学生的学习兴趣，并且反复多次通过实验，分析、讨论并认识规律。同时，关注课堂教学过程中生成性资源的应用，充分体现教师主导、学生主体、自主合作、探究学习等新课程所倡导的教学方法。 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