2.4自由落体运动 课件-2026-2027学年高一上学期物理人教版必修第一册

该高中物理课件聚焦自由落体运动，涵盖定义、条件、重力加速度及公式。通过观察羽毛与硬币在空气和真空中的下落差异导入，结合亚里士多德与伽利略的观点冲突，搭建从生活现象到科学概念的认知支架，衔接匀变速直线运动规律。 其亮点在于以科学探究为主线，通过牛顿管实验、打点计时器纸带分析等培养科学思维，结合伽利略斜面实验外推法渗透模型建构。融入真题与生活情境练习，提升科学探究能力，同时强调伽利略的质疑精神，助力学生深化物理观念，教师可高效开展分层教学。

自由落体运动 高中物理·必修一·第二章 · 第4节 仰望星空，落地有声——伽利略的科学之美 ---------探究物体下落的奥秘 1 2.4自由落体运动-知识框架 自由落体运动 实验演示 定义 条件 性质 实验原理:1.玻璃棺内的羽毛、铁片的下落；2.重物拖着纸带竖直下落，如纸带受的阻力远小于重物的重力，打点计时器打出的纸带就能研究自由落体运动的规律 实验结论:1.真空玻璃管内，轻重物体下落同样快；2.自由落体运动是初速度为零、加速度恒定的加速直线运动 物体只在重力作用下从静止开始下落的运动 1.只受重力；2.初速度V0=0；两者缺一不可 自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动 基本公式 匀变速直线运动 自由落体运动 1.V=V0+at 2.X=V0t+ 3.V2-V02=2ax 4.v= 5.Xn-Xn-1=aT2 1.V=gt 2.X= 3.V2=2gx 4.v= 5.Xn-Xn-1=gT2 自由落体加速度 定义 方向 大小 变化 在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同，这个加速度叫自由落体加速度，也叫重力加速度，通常用g表示 重力加速度的方向与当地重力的方向相同，是竖直向下的，不能说垂直向下，也不能说指向地心 在一般的计算中，取g=9.8m/s2或g=10m/s2，如没有特殊说明，都按g=9.8m/s2进行计算 g随纬度的增加而增大，随高度的增加而减小，两极处g最大，赤道处g最小 初速度为零的匀加速直线运动的几个比例关系： ①1T内、2T内、3T内、......的位移之比：X1:X2:X3......=12:22:32:... ②第一个T内、第二个T内、第三个T内、......的位移之比： X1:X2:X3......=1:3:5:..... ③通过连续相等的位移所用的时间之比：t1:t2:t3:......=1: (√2-1)：（√3-√2）...... (注意比例关系的适用条件) 2 课程导入：物体下落的快慢与什么有关？ 1 观察一 2 观察二 3 观察三 🤔 带着这些问题，一起走进「自由落体运动」 3 Learning Objectives 学习目标 1.物理观念 通过演示轻重不同的物体下落快慢的研究，知道什么是自由落体运动；认识重力加速度的大小、方向及变化规律。 2.科学思维 能运用理想化模型方法分析物理问题，理解从亚里士多德到伽利略的逻辑推理过程。 3.科学探究 通过打点计时器或频闪照片分析自由落体运动性质，培养实验探究能力。 4.科学态度 体会伽利略严谨的科学态度和合理的外推法，培养科学精神和质疑意识。 4 Key & Difficult Points 教学重难点 教学重点 ● 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 ● 自由落体加速度（g）的大小、方向及纬度/高度变化规律 ● 速度公式:V=gt ● 位移公式:h= ● 速度-位移关系v²=2gh 教学难点 ● 理想化条件：对“忽略空气阻力”这一理想化条件的理解——何时可以忽略？何时不能？ ● 逻辑推理：伽利略斜面实验的逻辑推理及外推法——从斜面到竖直面的思维跨越 ● 建模思想：将实际下落运动抽象为自由落体模型的建模思想 5 课程目录 CONTENTS 01 历史回顾 亚里士多德与伽利略之争 02 概念形成 什么是自由落体运动？ 03 实验验证 斜面实验、打点计时器与频闪照片分析 04 规律探究 加速度与位移公式推导 05 互动练习 初速度为零的匀加速直线运动的几个比例关系、真题随堂练、章节课后题讲解 06 课堂小结 自由落体运动是初速度为零、只受重力的匀加速直线运动，加速度恒为 g，用三个公式即可完整描述其运动规律。 6 01 历史回顾 从亚里士多德到伽利略的科学革命 物体下落的运动是司空见惯的，但人类对它的认识却经历了差不多两千年的时间。最早研究这个问题的，大概要算古希腊学者亚里士多德了。 7 01历史回顾：亚氏与伽氏之争 亚里士多德 Aristotle 亚里士多德 Aristotle 观点： 物体越重，下落速度越快 方法： 经验与常识 思考一下 这一定是真理吗？ 8 01历史回顾：亚氏与伽氏之争 伽利略 Galileo 伽利略 Galileo 观点： 忽略空气阻力时，所有物体自由下落的加速度相同 推理（矛盾）： 结论一：假定一块大石头的下落速度为8，一块小石头的下落速度为4，当把两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着而变慢，整个物体的下落速度应该小于8。 结论二：把两块石头捆在一起后，整个物体比大石头要重，因此整个物体下落的速度应该比8还要大。 方法： 逻辑推理 + 斜面实验外推（考点：开创了实验和逻辑推理结合的科学研究方法) 逻辑比常识更接近真理 猜想：重的物体与轻的物体应该下落的同样快！--我们一起来做个比较精细的实验，仔细研究一下。 9 02：概念形成：牛顿管实验 情境一：管内有空气 ● 羽毛缓慢飘落，硬币快速下落 ● 现象：轻重不同的物体下落速度不同 ● 原因：空气阻力对羽毛影响更大 情境二：管内抽为真空 ● 羽毛和硬币同时落地！ ● 现象：轻重不同的物体下落速度相同 ● 结论：无空气阻力时，所有物体加速度相同 💡 互动思考：如果在月球上做这个实验（月球上没有空气），会看到什么现象？ 答案：羽毛和铁锤会同时落地！（阿波罗15号宇航员已在月球验证） 实验结论：在真空中，所有物体自由下落的加速度相同，与质量无关。空气阻力是导致日常生活中轻重物体下落速度不同的根本原因。 10 02 概念形成 什么是自由落体运动？ 11 02 概念形成：什么是自由落体运动？ 自由落体运动 物体只在重力作用下从静止开始下落的运动 条件一 初速度V0=0 从静止开始下落 条件二 只受重力作用 空气阻力可忽略不计 注意 自由落体运动是理想化模型，实际中当空气阻力远小于重力时可近似视为自由落体。例如：实心铁球从高处落下可近似为自由落体，但羽毛或纸片的下落则不能。 思考一下 自由落体运动是加速运动。它的加速度在下落过程中是否变化？ 12 03 实验验证--研究自由落体运动的规律 理想斜面实验、打点计时器与频闪照片分析 13 03 实验一：伽利略理想斜面实验 1.提出问题 利用逻辑推理说明了重物与轻物下落得同样快后，伽利略并没有就此止步，而是进一步通过实验研究了自由落体运动的规律。 2.提出猜想 重的物体与轻的物体应该下落的同样快。落体运动的速度和时间成正比。 3.数学推理 伽利略所处时代无法测定瞬时速度；通过数学运算推理：如果V∝t，那么X∝t2；（没有测速度）； 4.实验验证 由于落体下落太快，计时工具不能测量自由落体运动所用时间。为了让小球落的慢一点，将小球先放在斜面上，观察是否符合X∝t2；通过系统地将斜面的倾角从极小的角度开始，逐步增大，模拟不同的运动场景。发现符合X∝t2 5.合理外推 如果斜面的倾角增大到90°，小球的运动就是自由落体运动，伽利略认为，这时小球仍然会保持匀加速运动的性质，而且所有物体下落时的加速度都是一样的! 6.得出结论 得出结论：V∝t 14 03 实验二：打点计时器验证自由落体 实验装置与步骤 装置： 电磁打点计时器 / 电火花计时器 纸带 + 重物（砝码或重锤） 一端固定于计时器，另一端系重物 步骤： ① 固定打点计时器，穿好纸带 ② 接通电源，释放重物 ③ 取下纸带，分析点迹 ④ 计算加速度，与 g 比较 纸带数据分析 方法：逐差法 将纸带上的点按时间顺序编号 测量相邻计数点间的距离△X 若△X近似相等 → 匀加速运动 用a=计算加速度 示例数据（T=0.02s） 计数点 时间t(s) 位移△X(cm) 0 0 — 1 0.02 0.78 2 0.04 0.86 3 0.06 0.94 15 03实验三：频闪照片分析自由落体 频闪摄影原理 频闪摄影： 用固定频率的闪光灯拍摄运动物体 每次闪光时记录物体位置 关键特征： 相邻像的时间间隔△t相等（如1/30s） 若△x越来越大 → 加速运动 若△x的比值符合自然数规律 → 初速为零的匀加速 图像分析方法 步骤： ① 测量各像的位置坐标y1，y2，y3..... ② 计算相邻位移差△y=yn+1-yn ③ 若△y近似相等 → 匀加速直线运动 ④ 用g=计算重力加速度 ⑤ 将结果与标准g值比较 实验结论 通过打点计时器和频闪照片两种实验方法，均可以验证：对不同物体进行的实验结果表明，在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同，这个加速度叫作自由落体加速度(free-fall acceleration)，也叫作重力加速度(gravitational acceleration)，通常g表示。 16 04 规律探究--自由落体加速度 加速度与位移公式推导 17 04重力加速度g g 约为9.8 m/s² 标准重力加速度 方向：竖直向下 每秒速度增加≈9.8m/s2 一般取9.8或10m/s²；如果没有特别说明，都按照g=9.8m/s2 g的变化规律 因素 影响 示例 纬度升高 g 增大 赤道≈9.78，两极≈9.83 海拔升高 g 减小 珠峰顶≈9.77 核心理解 自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，加速度为g 18 规律探究：运动公式 速度-时间关系 v=gt 速度与时间成正比 由V=V0+at推导 令V0=0,a=g 位移-时间关系 h= 位移与时间平方成正比 由h=V0t+推导 令V0=0,a=g 速度-位移关系 v² = 2gh 速度与位移平方根成正比 由V2-V02=2ax推导 令V0=0,a=g 记忆口诀 一速（v=gt）、二位（h=）、三关联（v²=2gh），三式联立，自由落体全搞定！ 19 05 互动练习 检验学习成果 20 05：初速度为零的匀加速直线运动的几个比例关系 1 3 错误 初速度为零的匀变速直线运动等时间划分位移之比 T T T T T 1T内、2T内、3T内、......的位移之比： X1 X2 X3 X4 X5 1T内位移X1=V0t+ 2T内位移X2=V0t+ 3T内位移X3=V0t+ 4T内位移X4=V0t+ X1:X2:X3:X4.....=12:22:32:42... 第一个T内、第二个T内、第三个T内、......的位移之比： 第1T内位移X1=V0t+ 第2T内位移X2-X1=（V0t+）-（V0t+ 第3T内位移X3-X2=（V0t+ 第4T内位移X4-X3=（V0t+）-（V0t+ X1:X2:X3:X4.....=1:3:5:7..... 21 05：初速度为零的匀加速直线运动的几个比例关系 2 3 初速度为零的匀变速直线运动等距离划分时间之比 x x x x x 通过连续相等的位移所用的时间之比: t1 t2 t3 t4 t5 X=V0t1+ 2X=V0t2+ 3X=V0t3+ 4X=V0t4+ t1:（t2-t1）:（t3-t2）:......=1: (√2-1)：（√3-√2）...... 22 05：真题随堂练 题目1（2024·广西·单选） 让质量为1kg的石块P1从足够高处自由下落，P1在下落的第1s末速度大小为v1；再将P1和质量为2kg的石块绑为一个整体P2，使P2从原高度自由下落，P2在下落的第1s末速度大小为v2，g取10m/s²，则（ ） A.v1=5m/s　 B.v1=10m/s　 C.v2=15m/s　 D.v2=30m/s 考点：v=gt，自由落体速度与质量无关。v1=v2=10×1=10m/s。 答案：B 意义：考查"自由落体快慢与质量无关"这一核心概念，是本节最重要的物理思想。 题目2（2018·海南·单选） 一攀岩者以1m/s的速度匀速向上攀登，途中碰落了岩壁上的石块，石块自由下落。3s后攀岩者听到石块落地的声音，此时他离地面的高度约为（ ） A. 10 m　B. 30 m　C. 50 m　D. 70 m 题目3·（2021·湖北·单选） 2019年，我国运动员陈芋汐获得国际泳联世锦赛女子单人10米跳台冠军。某轮比赛中，陈芋汐在跳台上倒立静止，然后下落，前5m 完成技术动作，随后5m完成姿态调整。假设整个下落过程近似为自由落体运动，重力加速度大小取10m/s²，则她用于姿态调整的时间约为（ ） A. 0.2 s　B. 0.4 s　C. 1.0 s　D. 1.4 s 考点：h===45m≈50m。 答案：C 意义：考查位移公式。 考点：h=。下落10m总时间t总=√(2×10/10)=√2≈1.41s；下落前5m时间t1=√(2×5/10)=1s；姿态调整时间Δt=t总−t1≈0.41s。 答案：B 意义：真实情境 + 两段自由落体时间差，是本节经典的"比例/时间差"考法。 23 05：真题随堂练 题目4（2020·上海·单选） 钥匙从距离水面20m高的桥面自由下落，竹筏前端在钥匙下落瞬间正好位于它的正下方。该竹筏以2m/s的速度匀速前进，若钥匙可以落入竹筏中，（不考虑竹筏的宽度，g取10m/s2），则竹筏长度至少为（ ） A. 2 m　B. 4 m　C. 6 m　D. 8 m 考点：钥匙自由下落时间t=√(2h/g)=√(2×20/10)=2s；竹筏在2s内前进距离x=vt=2×2=4m。 答案：B 意义：自由落体与时间计算是本节内容；竹筏匀速是初一初二的运动学常识。 题目5（2020·北京·单选） 某同学利用自由落体运动测量重力加速度，实验装置如图1所示，打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上。使重锤自由下落，打点计时器在随重锤下落的纸带上打下一系列点迹。挑出点迹清晰的一条纸带，依次标出计数点1,2,…,8，相邻计数点之间还有1个计时点。分别测出相邻计数点之间的距离X1,X2,...X7，并求出打点2,3,…,7 时对应的重锤的速度。在坐标纸上建立坐标系，根据重锤下落的速度作出v-t图线并求重力加速度。 (1)图乙为纸带的一部分，打点3时，重锤下落的速度V3=( )m/s(结果保留3位有效数字)。 (2)除点3外，其余各点速度对应的坐标点已在图丙坐标系中标出，请在图中标出速度03对应的坐标点，并作出v-t图线 (3)根据图丙，实验测得的重力加速度g=（）m/s2(结果保留3位有效数字)。 考点：自由落体v=gt，v-t图斜率即为g。 答案：(1)打点计时器接在频率为50.0Hz的交流电源上，相邻计数点之间还有1个计时点，则相邻两计数点之间的时间间隔为t=2X0.02s=0.04s，重锤做自由落体运动，打点3时的瞬时速度等于打点2到打点4之间的平均速度，由纸带数据可知v3=x24/2t=1.15m/s。（2）)标出坐标点及作出图像如图所示。(3)根据v=v0+gt,可知g=根据v-t图像可知其斜率为重力加速度，则有g=（2.7-0.35）/0.24 m/s2=9.79 m/s2 24 05：课后习题讲解 1.把一张纸片和一块橡皮同时释放下落，哪个落得快?再把纸片捏成一个很紧的小纸团，和橡皮同时释放，下落快慢有什么变化?怎样解释这个现象? 2.跳水运动员训练时从5m跳台双脚朝下自由落下，某同学利用手机的连拍功能，连拍了多张照片。测得其中两张连续的照片中运动员双脚离水面的高度分别为3.4m和1.8m。由此估算手机连拍时间间隔是多少? 3.为了测出井口到水面的距离，让一个小石块从井口自由落下，经过2.5s后听到石块击水的声音，估算井口到水面的距离。考虑到声音在空气中传播需要一定的时间，估算结果偏大还是偏小? 考点：h= 答案：h1=求出t1≈0.57s；t2≈0.8s；△t≈0.24s 考点：h=。 答案：h= 30.625s；下落时间2.5s包括下落时间与声音传回时间；结果偏大。 考点：下落物体受重力和空气阻力； 答案：展开的纸片和橡皮同时释放：橡皮落得快。原因：纸片空气阻力大 纸片捏成紧小纸团后和橡皮同时释放：两者几乎同时落地（下落快慢基本一致）。纸团空气阻力减小 3.4m h1 1.8m h2 25 05：课后习题讲解 4.有一架照相机，其光圈(进光孔径)随被摄物体的亮度自动调节，而快门(曝光时间)是固定不变的。为估测这架照相机的曝光时间，实验者从某砖墙前的高处使一个石子自由落下，拍摄石子在空中的照片如图2.4-8所示。由于石子的运动，它在照片上留下了一条模糊的径迹。已知石子从地面以上2.5m的高度下落，每块砖的平均厚度为6cm，请估算这张照片的曝光时间。 5.频闪摄影是研究变速运动常用的实验手段。在暗室中，照相机的快门处于常开状态，频闪仪每隔一定时间发出一次短暂的强烈闪光，照亮运动的物体，于是胶片上记录了物体在几个闪光时刻的位置。图2.4-9是小球自由下落时的频闪照片示意图，频闪仪每隔0.04s闪光一次。如果要通过这幅照片测量自由落体的加速度，可以采用哪几种方法?试一试。 考点：h= 答案：①h=②看成纸带；=;4==1.1625m/s;g==9.375 考点：V2= 答案：2.5-0.54=1.96m；V02=2gh=2*9.8*1.96；V0≈6.2；Vt2=2gh=2*9.8*（1.96+0.12）；Vt≈6.39；△t==0.02s； 大约0.12m 大约0.54m V0 Vt X1 X2 X3 X4 X5 26 05：课后习题讲解 6.制作一把“人的反应时间测量尺”。 如图2.4-10甲，A同学用两个手指捏住直尺的顶端，B同学用一只手在直尺0刻度位置做捏住直尺的准备，但手不碰到直尺。在A同学放开手指让直尺下落时，B同学立刻捏住直尺。读出B同学捏住直尺的刻度，就是直尺下落的高度，根据自由落体运动公式算出直尺下落的时间，就是B同学的反应时间。 利用这种方法，你能不能把下面刻度尺的长度刻度，直接标注为时间刻度，使它变为“人的反应时间测量尺”?请尝试在图2.4-10乙的长度刻度旁标注时间刻度。 答案：①选距离：0.05m，0.1m，0.15m，0.2m，0.25m，0.3m②标时间：0.05=，t1=0.1s；0.1=，t2=0.14s；0.15=，t3=0.17s；0.2=，t4=0.2s；0.25=，t5=0.22s；0.3=，t6=0.24s； 0.1s 0.14s 0.17s 0.2s 0.22s 0.24s 27 06 课堂小结 物理就在身边 28 课堂小结 自由落体运动 定义 只受重力 初速为零 加速度 g = 9.8 m/s² 方向竖直向下 公式 v=gt h= v²=2gh 本质 匀加速直线运动 加速度恒为g 一句话总结：自由落体运动是初速度为零、只受重力的匀加速直线运动，加速度恒为 g，用三个公式即可完整描述其运动规律。 29 分层作业 基础巩固 ● 课上互动习题 ● 理解并识记自由落体运动的定义，性质，条件及公式。 ● 理解并识记自由落体加速度的定义，方向，大小，变化及初速度为零的匀加速直线运动的几个比例关系 能力提升 ● 一石子从塔顶自由落下，最后一秒下落了全程的 9/25，求塔高 ● 两物体从不同高度自由落下，同时落地，已知甲比乙高 45m，求乙的下落时间 拓展挑战 ● 利用手机测速软件，估测教学楼楼层高度（写出实验方案） ● 研究：考虑空气阻力时，物体的终极速度（terminal velocity）与哪些因素有关？ 30 思维的升华 刚才我们看到了，在真空管里，羽毛与铁片同时落地。 这揭示了一个朴素的道理： 环境的阻力往往会掩盖事物的本质。 当我们感到迷茫或进步缓慢时， 不要怀疑自己的能力， 也许我们只是需要像抽掉空气一样， 摒除外界的干扰与偏见， 回归最纯粹的初心。 那时候，你会发现， 你比想象中落得更快，飞得更高。 31 感谢聆听 「物体之所以下落，是因为地球在呼唤它」 Thank You 32 $