2.4 自由落体运动 教学设计-2025-2026学年高一上学期物理人教版必修第一册

该高中物理教学设计聚焦自由落体运动规律及竖直上抛运动，通过纸与纸团下落的反直觉实验引发认知冲突，结合伽利略逻辑挑战导入，衔接匀变速直线运动已有知识，构建从现象观察到本质探究的学习支架。 以核心素养为导向，突出科学探究（打点计时器实验测重力加速度）与科学思维（理想化模型建构），融入牛顿管视频、伽利略思想实验等实例，通过实验与逻辑推理结合的学科方法，助学生理解重力加速度地域差异及竖直上抛对称性，提升教师教学效率与学生科学探究能力。

《2.4自由落体运动》教学设计 一、教材解读与课程定位 本课聚焦“物体在重力作用下的运动规律”，是匀变速直线运动模型的重要应用延伸，也是连接经典力学中“力与运动”关系的关键桥梁。内容以自由落体运动为核心，延伸至竖直上抛运动，涵盖重力加速度、运动公式推导、实验验证与实际建模等关键环节。 教材通过历史对话（伽利略对亚里士多德观点的挑战）引入科学思维，借助实验手段（牛顿管、打点计时器）帮助学生构建理想模型，并通过数学工具归纳运动规律。本节不仅是知识的传授，更是科学方法论的启蒙——如何从经验直觉走向理性分析。 核心概念： · 重力加速度 的普遍性与地域差异 · 自由落体运动的三个基本公式： ， ， · 竖直上抛运动的对称性与分段分析 学习难点： 1. 区分“真实下落”与“理想自由落体”的差异 2. 理解空气阻力在日常观察中的干扰作用 3. 掌握竖直上抛运动中速度、位移的方向性与对称特征 4. 实验数据处理与误差来源辨析 学生常误认为“重物下落更快”“上抛物体到顶点时加速度为零”，需通过实验与逻辑推理纠正前概念。 二、学情分析与认知起点 学生已掌握匀变速直线运动的基本规律（速度-时间、位移-时间关系），具备初步的受力分析能力和实验操作经验。高中阶段学生的抽象思维能力逐步发展，对自然现象有强烈好奇心，但容易被生活经验误导（如“纸轻所以下得慢”）。 本课需引导学生： · 从现象观察转向本质探究 · 从定性感知过渡到定量分析 · 从孤立记忆公式转变为理解规律的生成过程 重点在于帮助学生建立理想化物理模型的意识，理解“忽略次要因素”的科学意义，并通过实验验证理论预测。 三、教学目标（核心素养导向） 素养维度 具体目标 物理观念 能描述自由落体运动的本质特征，理解重力加速度的物理意义及其在地球不同位置的变化规律 科学思维 能运用逻辑推理（如归谬法）分析传统观点的矛盾；通过运动学公式进行合理外推与数学建模 科学探究 能设计并完成自由落体实验，使用打点计时器采集数据，分析加速度是否与质量有关 科学态度与责任 感悟伽利略勇于质疑权威的科学精神，认识实验与逻辑在科学发展中的协同作用 四、教学重难点 重点： 1. 通过实验与推理，建立自由落体为初速为零的匀加速直线运动的认知 2. 掌握自由落体与竖直上抛运动的基本公式及其应用场景 3. 理解重力加速度的普遍性与方向性 难点： 1. 理解伽利略如何用思想实验否定“重物下落快”的旧观念 2. 分析竖直上抛运动的对称性，掌握上升与下降过程的统一处理方法 3. 在实验中识别并评估空气阻力、摩擦等干扰因素的影响 五、教学流程设计 【情境导入】——从矛盾出发，激发思辨 学生普遍回答：“纸轻所以下得慢。”但当纸被揉成团后，两者几乎同时落地——这一反直觉现象引发认知冲突。 由此引出伽利略的逻辑挑战与科学革命的开端，开启本课探究之旅。 【新知探究一】：什么是真正的“自由下落”？ 活动1：对比实验观察 · 实验1：同一高度释放一本书与一张纸 → 书先落地 · 实验2：同一高度释放一本书与一个纸团 → 几乎同时落地 · 实验3（视频演示）：牛顿管实验（抽真空前后羽毛与金属片下落对比） 小组讨论问题链： 1. 空气阻力是如何影响不同形状物体的下落过程的？ 2. 如果完全消除空气阻力，你认为质量不同的物体下落情况会怎样？ 3. 伽利略是如何用“捆绑悖论”揭示亚里士多德理论的内在矛盾的？ 4. 你能给“自由落体运动”下一个准确的定义吗？ 师生共同归纳： · 自由落体运动：物体仅在重力作用下，从静止开始下落的运动。 · 理想条件：无空气阻力、初速度为0。 · 实际中可近似处理的情形：阻力远小于重力（如小石块低空下落）。 · 这是一种理想化物理模型，其价值在于简化复杂现实，揭示本质规律。 【新知探究二】：自由落体运动的规律探索 实验探究：用打点计时器研究自由落体 实验目标：验证自由落体是匀加速直线运动，测定重力加速度 ，探究其是否与质量有关。 实验装置：电磁打点计时器（50Hz）、纸带、重物（不同质量）、铁架台、电源、刻度尺。 操作要点： 1. 固定打点计时器竖直方向 2. 纸带连接重物，穿过限位孔 3. 先启动计时器，再释放重物 4. 更换不同质量重物重复实验，每组至少三次取平均值 数据处理建议： · 测量连续相等时间间隔内的位移差 · 利用公式 计算加速度（ ） · 绘制“质量-加速度”图像，观察趋势 预期结论： · 所有物体下落加速度基本相同，约为 · 加速度与质量无关，支持自由落体的普遍性 误差分析讨论： · 纸带与限位孔摩擦 · 打点不清或漏点 · 空气阻力对轻质物体影响更大 【新知探究三】：重力加速度的奥秘 情境创设： “同一物体，在赤道和北极下落一样快吗？为什么？” 问题探究： 1. 为什么地球上所有物体都朝“下”加速？这个“下”指的是什么方向？ 2. 重力加速度 是否在全球都一样？哪些因素会影响它的大小？ 3. 为什么我们常说 ，有时又取 ？ 科学解释： · 方向：竖直向下（指向地心方向） · 大小受两个主要因素影响： a) 地球形状：赤道半径大于极半径 → 赤道处 较小 a) 地球自转：赤道处需更大向心力 → 有效重力减小 → 更小 · 实测数据对比： · 赤道：约 · 北京：约 · 极地：可达 【新知探究四】：自由落体运动的数学描述 情境引导： “雨滴从云层落下，苹果从树上掉落……它们的速度和下落高度之间存在怎样的数量关系？” 公式推导（基于匀变速运动通式）： 设初速度 ，加速度 ，则： 公式类型 表达式 物理意义 速度-时间 下落时间越长，速度越大 位移-时间 下落高度与时间平方成正比 速度-位移 无需时间即可求速度 平均速度 初速为0的匀加速运动特性 连续等时位移差 相邻时间段内下落距离差恒定 【新知探究五】：竖直上抛运动——自由落体的逆向延伸 情境引入： “体育课上，你向上抛出一个排球，它经历了怎样的运动过程？上升和下降是否对称？” 动态分析： · 上升阶段：速度减小，加速度仍为 向下 · 最高点：速度为0，加速度仍为 · 下降阶段：自由落体，加速度不变 关键问题探讨： 1. 上升时间和下降时间是否相等？ 2. 经过同一高度时，速度大小是否相同？方向如何？ 3. 从抛出到落回原处的总时间是多少？ 4. 如何利用对称性简化计算？ 规律总结： 项目 表达式 特点 速度公式 匀减速上升，匀加速下降 位移公式 抛物线型变化 最大高度 由速度为零时求得 上升时间 与下降时间相等 总时间 具有时间对称性 速度对称性 同一高度 $ v_{\text{上}} 六、典型例题重构 【例题1】水流中的时间密码 一水龙头持续滴水，调节高度使：当第一滴水刚触盘时，第二滴水刚好离开水龙头，且空中仅有一滴水在下落。测得水龙头距盘高 ，从第一滴水开始下落到第 滴水落地共用时 。 下列说法正确的是（　　） A。 第二滴水离盘距离为 B。 水滴下落时间间隔为 C。 每滴水空中下落时间为 D。 重力加速度 ✅ 正确答案：C 💡 解析要点：建立水滴等时下落模型，结合 推导时间间隔与总时间关系。 【例题2】双球竞速赛 甲球从高度 自由下落，乙球同时从 高度下落。忽略空气阻力，则以下说法正确的是（　　） A。 两球下落至同一高度时速度相等 B。 两球到达各自起点正下方地面的时间相同 C。 下落过程中，两球间距逐渐增大 D。 任意时刻，两球速度之差恒定 ✅ 正确答案：D 💡 解析：设时间 ，则 ， ，速度差为0？错！因起始高度不同，但加速度相同 → 速度差恒为0？不！实际是速度增量相同，但位移差随时间增大。 → 正确结论：速度差为0（同加速度、同初速），但位移差恒定？否！ 修正：两者均从静止开始，加速度相同 → 任一时刻速度相同 → 速度差为0 → D应为“速度差保持不变”（即0），故正确。 【例题3】对称之美——上抛回眸 一小球以初速度 竖直上抛， ，则其上升最大高度为（　　） A。 10m B. 20m C. 30m D. 40m ✅ 正确答案：B 公式： 七、课堂练习 【第1题】物体下落的运动是司空见惯的，亚里士多德通过观察总结得到“重的物体下落得快”。伽利略发现根据亚里士多德的论断，会推出相互矛盾的结论；通过仔细的分析，他认为重的物体与轻的物体应该下落的同样快。但他在研究自由落体运动时，遇到了两个问题：①无精确的计时仪器：②无测瞬时速度的工具。他采用了一个很巧妙的方法，用来“冲淡”重力。如图所示，让铜球沿阻力很小的斜面滚下，经过实验证明小球沿斜面的运动是匀加速直线运动，且只要斜面的倾角一定，小球的加速度都是相同的。由此他推断：自由落体运动也是匀变速直线运动。伽利略对自由落体运动的研究，是科学实验和逻辑思维的完美结合，对这一过程的分析，下列叙述正确的是（　　） A.丁图实验可“冲淡”重力的作用，更容易测时间，解决了问题① B.伽利略利用x∝t2替代v∝t解决了问题② C.改变实验小球的质量进行甲图的实验，会对实验结果产生影响 D.丁图是直接实验验证得到的结论 【答案】B 【第2题】如图所示，长度为0.6m的圆筒竖直放在水平地面上，在圆筒正上方距其上端1.2m处有一小球（可视为质点）。在由静止释放小球的同时，将圆筒以v=6m/s竖直向上抛出，在圆筒上升过程，小球穿过圆筒的时间为（空气阻力不计，g取10 m/s2）（　　） A．0.4s B.0.3s C.0.2s D.0.1s 【答案】D 【第3题】为了筛选大小大致相同的脐橙，设计如图所示的橙子简易筛选装置。两根直杆处于同一倾斜平面内，上端间距小下端间距大，橙子沿两杆向下运动，大、中、小橙离开杆后，落入不同区域的接收桶中，脐橙可视为球体，不计阻力，则（　　） A.离开杆后，橙子在空中做一小段自由落体运动 B.离开杆后，大橙速度变化比小橙的快 C.前后两橙子沿杆运动过程中间距逐渐增大 D.大果在沿杆向下运动过程中弹力对其做功 【答案】C 八、巩固提升练习 【巩固1】在物理学发展过程中，许多物理学家做出了伟大贡献，多种科学方法的出现推动了人类社会的进步，以下叙述正确的是（　　） A。牛顿第一定律可以通过实验得到验证 B。伽利略猜想自由落体运动的速度与下落时间成正比，并直接用实验进行了验证 C。速度的定义式表示在时刻的瞬时速度是应用了极限法 D。不考虑物体本身形状和大小的影响时，用质点来代替物体的方法是等效替代法 答案为C。 【巩固2】下列说法正确的是（ ） A。质点是理想化模型，不是真实存在的 B。重力就是地球对物体的吸引力 C。运动员起跑时，地面对运动员的作用力大于运动员对地面的作用力，因此运动员才能加速启动 D。手中小球自由释放的瞬间，它的加速度为零 答案为A。 【巩固3】关于重力加速度的说法中，正确的是（　　） A。重力加速度是一个恒定不变的矢量，在任何地方都等于 B。在地球表面，纬度越高，重力加速度越小 C。重力加速度的方向总是垂直向下，与地面垂直 D。在赤道处的重力加速度小于在北极处的重力加速度 答案D 【巩固4】在图中点上方某点自由释放一个直径为的铁球。相机拍摄到球在空中下落的照片如图所示。该照片的曝光时间为。由于小铁球的运动，它在照片上留下了一条拖影。则小球的释放位置在点上方距离点约（　　） A。 B. C. D. 答案B。 【巩固5】将一物体以初速度竖直向上抛出，不计空气阻力，取，则物体上升的最大高度为 A。 B. C. D. 答案B。 【提升6】从地面竖直向上抛出一小球，小球经过后再次落回地面（不计空气阻力，）。下列说法正确的是 A。 小球的初速度为 B。 小球上升的最大高度为 C。 小球在第末和第末的速度大小相等、方向相反 D。 小球在上升过程与下降过程中通过同一高度时速度大小相等 答案D。 【提升7】甲物体的质量是乙物体的两倍，甲从高处自由下落，同时乙从高处自由下落。忽略空气阻力的影响，下列说法中正确的是（　　） A。两物体下落到同一高度处速度大小相等 B。两物体下落到同一高度处所用时间相等 C。两物体在落地前，距离越来越大 D。两物体在落地前，距离始终相等 答案为D。 答案C 【提升8】从某一高度相隔先后释放两个相同的小球甲和乙，不计空气阻力，重力加速度为，则它们在空中运动的过程中（　　） A。两球间的距离始终保持不变 B。两球间的距离越来越小 C。两球的速度之差越来越大 D。两球的速度之差保持不变 答案C 【提升9】利用水滴下落可以粗略测量重力加速度的大小。某同学调节家中水龙头，让水一滴一滴地流出，在水龙头的正下方放一个盘子，调整盘子的高度，使一滴水刚碰到盘子时，恰好有另一滴水刚开始下落，而空中还有一滴水正在下落。测出此时出水口到盘子的高度为，从第1滴水开始下落到第滴水刚落至盘中所用时间为。下列说法正确的是（　　） A。第1滴水刚落至盘中时，第2滴水距盘子的距离为的一半 B。相邻两滴水开始下落的时间间隔为 C。每滴水在空中的下落时间为 D。此地重力加速度的大小为 【提升10】如图所示，设打开水龙头后水连续不断地从管口由静止开始下落，在距离管口和的两处，分别取一段极短的相等长度的水流，其对应的水的质量分别为和，不考虑空气阻力的影响，则为（　　） A. B. C. D. 解析：水从静止开始做自由落体运动，满足。 在距离管口处，速度为，有，得。 在距离管口处，速度为，有，得。 所以。 题中“取一段极短的相等长度的水流”，设该长度为，则这段水流通过某位置所用的时间为。 在处： 在处： 单位时间内流出的水量（质量流量）是恒定的（连续性原理），即单位时间流过任意截面的质量相同。 因此，质量与时间成正比：，其中为质量流量（恒定）。 求比值： 所以 故正确选项为C。 九、课堂总结（思维导图式） 自由落体与竖直上抛运动 ├── 定义条件：只受重力，初速为0（自由落体） ├── 加速度：g ≈ 9.8 m/s²，方向竖直向下 │ ├── 与质量无关 │ └── 随纬度升高而增大 ├── 运动规律 │ ├── 自由落体：v=gt， h=gt²， v²=2gh │ └── 竖直上抛：v=v₀−gt，h=v₀t−gt² ├── 对称性特征 │ ├── 上升=下降时间 │ ├── 同高度速度大小相等、方向相反 │ └── 最高点速度为0，加速度仍为g └── 科学方法 ├── 理想模型法（忽略空气阻力） ├── 实验+逻辑推理结合（伽利略） └── 数据分析与误差控制 十、教学反思 本节课以“生活现象—认知冲突—实验验证—理论建构—应用拓展”为主线，注重学生科学思维的发展。亮点在于： · 用真实实验与历史情境激发兴趣 · 强调模型建构与理想条件的重要性 · 注重公式背后的物理意义而非机械记忆 待改进之处： · 可增加数字化实验（如运动传感器）实时绘制v-t图，增强直观性 · 对重力加速度的测量可引入手机慢动作视频分析法，提高参与度 · 应加强学生对矢量方向性的训练，避免“速度为零即加速度为零”的误解 后续可拓展至抛体运动，进一步构建完整的运动学知识网络。 13 / 13 学科网（北京）股份有限公司 $