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

教 案 教 学 设 计 教学内容 普通高中教科书·物理必修第一册 第二章第4节《自由落体运动》 学科/教材版本 年级：高一年级 人教版 必修第一册 学情分析 学生在初中已知道重力加速度 g = 9.8 N/kg，也学习过匀变速直线运动的速度公式、位移公式与 v-t 图像，具备用打点计时器测量加速度的实验基础。但受生活经验影响，多数学生存在“重的物体下落快”的错误前概念，这一认识与亚里士多德的观察结论一致，而本节要用伽利略的科学论证和实验探究来转变它。 学生虽熟悉落体现象，却从未系统研究其规律，存在不少似是而非的看法，需要引导其用证据表达观点。 此外，学生已在前面两节掌握初速度为 0 的匀变速直线运动规律，可自主迁移得出 v = gt、x = ½gt² 的公式。 教材分析 本节通过逻辑推理、实验演示与实验探究，分析得出自由落体运动的规律，明确重力加速度的意义，同时加强学生质疑精神、科学推理和科学论证能力的培养。 教科书从比萨斜塔的科学故事出发提出问题：轻重不同的物体从同一高度落下，哪个下落得快？什么因素影响物体下落的快慢。教材先用牛顿管演示：抽去空气后，铁片与羽毛下落得同样快，说明没有空气阻力时所有物体下落快慢相同。 进而建构“物体只在重力作用下从静止开始下落”的理想模型——自由落体运动，并指出它只在真空中发生，实际中空气阻力足够小时可近似看作自由落体。随后用打点计时器探究规律，得出在同一地点一切物体自由下落的加速度都相同，即自由落体加速度（重力加速度）g，方向竖直向下，赤道海平面 g = 9.780 m/s²，北京 g = 9.801 m/s²，一般计算取 9.8 m/s² 或 10 m/s²。最后把 v₀ = 0、a = g 代入匀变速直线运动公式，得 v = gt，x = ½gt²。 “科学漫步”介绍伽利略的研究方法与过程，“STSE”从伽利略生平引发科学与社会关系的思考。 教学目标 物理观念 了解亚里士多德关于力与运动的主要观点；知道物体做自由落体运动的条件（只受重力、从静止开始）；通过实验探究自由落体运动规律，了解重力加速度概念，掌握其大小、方向，知道地球上不同地点的重力加速度可能不同。 科学思维 经历抽象概括和推理，建构“只受重力、从静止下落”的理想模型；了解伽利略研究自由落体运动的实验和推理方法，体会实验与逻辑推理结合的科学思维方式。 科学探究 通过实验探究自由落体运动，基于事实证据和科学推理对不同观点和结论进行质疑、分析和判断；能设计并完成用打点计时器研究自由落体运动规律的实验，测量重力加速度。 科学态度与责任 认识伽利略对物体运动的研究在科学发展和人类进步上的重大意义；通过物理学史体会敢于质疑、严谨推理、实验验证的科学精神，以及科学对社会的作用。 教学重点与难点 教学重点 ①自由落体运动的条件与理想模型的建构； ②通过实验探究自由落体运动的规律； ③重力加速度 g 的大小、方向及不同地点的差异； ④自由落体运动规律 v = gt、x = ½gt² 及其应用。 教学难点 ①转变学生“重的物体下落快”的前概念，理解空气阻力对落体运动的影响，建构自由落体理想模型； ②探究自由落体运动规律的实验设计与数据处理（打点计时器纸带点迹少、计数点选取、v-t 图像拟合）。 教学过程 环节/时间 教师活动 学生活动 核心 素养 环节1 情境导入·问题引入（5分钟） 讲述比萨斜塔的科学故事，提出问题： ①轻重不同的物体从同一高度落下，哪个下落得快？ ②什么因素影响物体下落的快慢？ 鼓励学生充分表达自己的观点和评价别人的观点，同时要求表达时必须提供证据。 追问：亚里士多德据观察得出“重快轻慢”，你同意吗？证据是什么？ 结合生活经验发表看法（多数认为重的下落快），并尝试举出证据；倾听、质疑、评价他人观点，初步产生认知冲突。 物理观念（引出运动与相互作用）、科学探究（问题意识与证据意识）。 环节2 逻辑推理·伽利略的质疑（6分钟） 介绍伽利略利用逻辑推理对亚里士多德观点提出怀疑：若重快轻慢，把重物和轻物绑在一起，按亚里士多德观点既会“更慢”（轻的拖慢重的）又会“更快”（总重更大），导出自相矛盾。 启发学生自己完成这段推理分析，最后得出自相矛盾的结论来反驳亚里士多德。 布置学生课下阅读《关于两门新科学的对话》体验这种科学方法。 分组复述并尝试独立推导这一悖论，体会逻辑推理的力量，感受“观察结论未必可靠”。 科学思维（逻辑推理、科学论证）、科学态度与责任（敢于质疑）。 环节3 实验演示·牛顿管与月球落体（7分钟） 演示牛顿管实验：先让质量不同的铁片和羽毛在有空气的玻璃管中同时下落，观察下落快慢；再抽出管内空气，重新观察。 引导学生得出：抽去空气后没有了空气阻力，轻的物体和重的物体下落得同样快 。 可播放月球上宇航员做的落体实验，观察没有空气阻力时质量不同物体的落体运动。 指出：现实中落体快慢不同是因为空气阻力的影响。 观察两次实验现象，记录差异；讨论得出“空气阻力是影响下落快慢的因素”，否定“重快轻慢”的直觉。 物理观念（运动与相互作用）、科学探究（实验观察与证据推理）。 环节4 建构模型·自由落体运动（5分钟） 引导：生活中落体受空气阻力影响较复杂，要抓住主要矛盾、忽略次要矛盾，建构物体只受重力时从静止开始下落的理想模型——自由落体运动。 给出定义：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。 强调：这种运动只在真空中才能发生；在有空气的空间，若空气阻力作用比较小、可以忽略，物体下落可近似看作自由落体运动，这就是建构理想模型的实际意义。 追问：条件有几个？（只受重力、从静止开始，即 v₀ = 0） 在教师引导下提炼自由落体运动的两个条件，理解“理想模型”与实际近似处理的思想，辨析“竖直下抛是否属于自由落体”。 科学思维（模型建构、抽象概括）、物理观念 。 环节5 实验探究·研究自由落体运动的规律（15分钟） 提出问题：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？ 组织学生猜想：自由落体是匀加速直线运动 。 指导学生设计并完成教科书上的探究实验：如图固定打点计时器，纸带一端系重物、另一端穿过计时器，捏住纸带上端、启动计时器、松手让重物自由下落 。 提醒控制实验条件：选质量大、体积小的重物，纸带竖直穿过限位孔并将重物竖直提起释放，以尽量减小空气阻力和摩擦力。 巡视中发现纸带点迹少，引导学生用三个点间隔或两个点间隔标记计数点；有条件的用数表软件拟合 v-t 图像求斜率，与手工图像比较验证。 组织归纳：在误差范围内自由落体 v-t 图像是一条倾斜直线，说明是匀加速直线运动，斜率约 9.8 m/s²，即自由落体加速度大小。 改变重物质量重复实验，看加速度是否变化。 分组猜想、设计实验方案（打点计时器测速度随时间变化规律、作 v-t 图像）；动手实验、采集数据；因点迹少而调整计数点间隔；计算各时刻速度、绘制 v-t 图像、求斜率；改变重物质量重复实验；汇报结论：不同质量重物 v-t 图像均为倾斜直线且斜率（加速度）相同。 科学探究（设计实验、控制条件、数据处理、图像分析、归纳结论）、科学思维（图像与极限方法）。 环节6 自由落体加速度（8分钟） 由实验结论给出：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（重力加速度），通常用 g 表示，方向竖直向下 。 指出学生测得值普遍略小于 9.8 m/s²（空气阻力与摩擦所致），可用竖直放置的光电门测量或展示频闪照相实验得到更精确值。 介绍 g 的地域差异：赤道海平面 9.780 m/s²、北京 9.801 m/s²，一般计算取 9.8 m/s² 或 10 m/s² 。联系初中 g = 9.8 N/kg 引发思考；把各地 g 值不同的原因作为课下探究任务。 回答：海拔高度：高度越高 g 越小；纬度越高 g 越大；地球自转离心效应是主要原因，地球椭球形状是次要。 组织“做一做”： 用手机加速度传感器观察自由落体：手机静止时传感器示数约0的一小段，当手机自由下落瞬间，传感器读数迅速趋近于-10 m/s² ；接住手机瞬间出现向上的波峰。 记录 g 的定义、方向、取值；对比各组数据，认识误差来源；用手机（或观看演示）测 g，观察黄色图线一小段数值为 -10 m/s²（方向向下）及接住时的向上波峰 。 物理观念（重力加速度）、科学探究（现代技术手段测量）、科学态度与责任（问题意识与实事求是）。 环节7 规律总结·公式推导（6分钟） 引导：自由落体是初速度为 0 的匀加速直线运动，把 v₀ = 0、a = g 代入匀变速直线运动的速度与时间、位移与时间关系式。 板书得出 v = gt，x = ½gt² 。 辅以联系实际例题（如测井口到水面深度、跳水连拍时间间隔）加强应用能力。 还可引导推出 v² = 2gx 及比例关系。 自主将 v₀ = 0、a = g 代入已学公式，推出 v = gt、x = ½gt²，并尝试推导 v² = 2gx；完成例题，练习规范解题（选正方向、写原始公式、代数据、写结果）。 物理观念（运动规律）、科学思维（演绎推理、知识迁移）。 环节8 科学漫步·伽利略对自由落体的研究（7分钟） 安排学生自主阅读“科学漫步”，梳理伽利略的研究思路和方法，在关键步骤设置问题引导自学： ①伽利略如何用逻辑推理的方法揭示亚里士多德观点的矛盾？ ②为何猜想自由落体速度有 v ∝ x 和 v ∝ t 两种可能性，又如何经过推理判定 v ∝ x 不正确？ ③为什么检验 v ∝ t 即是检验 x ∝ t²？ ④如何巧妙地克服困难，设计精确可行的实验检验 x ∝ t²？ ⑤如何由斜面实验的结论合理外推到落体运动的规律。 重点点拨：逻辑推理方法的应用，以及实验中如何发现问题与困难、又如何一个一个克服最终得到正确结论。 结合“STSE”介绍伽利略一生的成功与坎坷，引发对科学和社会关系的思考。 自主阅读并逐条回答五个问题；小组交流伽利略“猜想—推理—实验—合理外推”的研究路径；讨论科学发现的社会条件与科学家精神。 科学思维（逻辑推理、合理外推）、科学态度与责任（物理学史育人、科学·技术·社会·环境）。 环节9 练习与应用·反馈评价（7分钟） 布置本节 6 道练习题，组织当堂完成与讲评： 第1题分析解释纸片（纸团）与橡皮下落快慢的差异； ①纸片与橡皮同时释放，橡皮下落得快，因为纸片受到的空气阻力大；纸片揉成紧纸团后与橡皮下落情况基本相同，因为纸团受到的空气阻力小。 第2题以跳水为背景用 x = ½gt² 计算手机连拍时间间隔； ②跳水题：h₁ = 1.6 m、h₂ = 3.2 m，Δt = √(2h₂/g) - √(2h₁/g) = 0.24 s。 第3题用 x = ½gt² 分析并考虑声波传播时间，体会真实情境与理想模型的差异； ③估测井深题：x = 31.25 m，实际下落时间小于测量得到的总时间，所以直接代入总时间计算得到井深偏大。 第4题把极短曝光时间内自由落体近似为匀速直线运动处理； ④曝光时间题：径迹长约 0.12 m，径迹中点距地约 0.54 m，下落位移 1.96 m，v = √(2gx) ≈ 6.26 m/s，曝光时间约 0.02 s。 第5题用频闪法测加速度； ⑤频闪法可用 v-t 图像法、g = (v-v₀)/t、v²-v₀² = 2gx、Δx = gT² 等多种方法求解。 第6题合作探究制作“人的反应时间测量尺”。 独立完成练习； 第1题用运动和力的知识解释现象；第2、3题套用公式并讨论误差； 第4题研究图像、转换模型； 第5题尝试多种解法； 第6题设计“反应时间测量尺”方案并课后制作。 物理观念（规律应用）、科学思维（模型转换、多解比较）、科学探究（第6题方案设计与证据收集）。 环节10 课堂小结与作业布置（4分钟） 与学生共同梳理知识结构：自由落体运动（条件：只受重力、v₀ = 0）→实验探究（v-t 图像为倾斜直线）→重力加速度 g（方向竖直向下、大小 9.8 m/s²、随地点不同）→规律公式（v = gt，x = ½gt²）。 布置课后作业。 复述概念、条件、公式，反思“重快轻慢”错误认识是如何被实验与推理纠正的。 物理观念（结构化）、科学态度与责任（反思求真）。 板书设计 左侧 中左 中右 右侧 一、自由落体运动 1. 定义：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动 2. 条件： ①只受重力； ②v₀ = 0 3. 性质：初速度为 0 的匀加速直线运动 二、科学方法 亚里士多德：重快轻慢（观察） 伽利略：逻辑推理 → 质疑 → 实验 → 合理外推 牛顿管实验：抽气后铁片羽毛同时落地 三、自由落体加速度 g 1. 同一地点一切物体相同 2. 方向：竖直向下 3. 大小：赤道 9.780、北京 9.801 m/s²；取 9.8 或 10 m/s² 四、规律公式 v = gt x = ½gt² （由 v₀ = 0、a = g 代入匀变速公式得到） 课后作业 1. 巩固教科书本节“练习与应用”第 1—6 题，其中第 3 题要说明“估算值偏大”的原因，第 5 题至少用两种方法求解。 2. 用手机加速度传感器（或身边器材）测量本地自由落体加速度，记录数据并与 9.8 m/s² 比较，分析误差来源 。 3. 合作完成“人的反应时间测量尺”的制作，写出探究方案、测量数据并得出结论。 4. 查阅资料，了解亚里士多德关于力与运动的主要观点，以及伽利略研究自由落体运动的实验和推理方法，并讨论伽利略的研究对科学发展和人类进步的重大意义。 5. 选做：查阅资料了解地球上不同地点重力加速度不同的原因（地球是椭球、离地高度等），撰写简短研究报告。 学科网（北京）股份有限公司 $