2.1 探究自由落体运动 教案（粤教版必修1）
三维目标
知识与技能
1.认识自由落体运动，知道影响物体下落快慢的因素，理解自由落体运动是在理想条件下的运动.
2.能用打点计时器或其他实验仪器得到相关的运动轨迹并能自主进行分析.
3.知道什么是自由落体的加速度，知道它的方向，知道在地球上的不同地方，重力加速度大小不同.
4.初步了解探索自然规律的科学方法.培养学生的观察、概括能力.
过程与方法
由学生自主进行实验探究，采用实验室的基本实验仪器——打点计时器，记录下运动的信息，为下一节定量地探究运动规律做好准备，同时让学生进一步体验科学探究方法.
1.让学生初步体会抽象思维、提出假说、科学实验是进行科学研究的重要思路和方法.
2.会从原理、器材、信息收集技术、信息处理方法、操作程序等不同方面来构思探究的计划.
3.教师应该在教学中尽量为学生提供学习制定探究计划的机会.根据学生的实际能力去引导学生进行观察、思考、讨论和交流.
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述能力.
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.渗透研究自然规律的科学方法.
教学重点 自由落体运动的概念及探究自由落体运动的过程.
教学难点 物体下落快慢与物体所受重力无关.
教学方法 探究式、讨论式、互动式.
教学用具 硬币、小纸片、打点计时器、铁架台、纸带、重锤等.
课时安排 1课时
教学过程
导入新课
师 两个轻重不同的小球同时落地的声音，是那样地清脆美妙，又是那样地震耳发聩！它使人们清醒地认识到，轻重不是下落快慢的原因；它动摇了2 000多年来统治着人们头脑的旧观念，开创了实验和科学推理之先河，将近代物理学以致近代科学推上了历史的舞台.当树叶从树上飘落下来，雨滴从屋檐上落下来的时候，你们想过这种运动吗？物体下落的过程有没有一定的规律可循呢？今天我们将一起探究这种运动——“自由落体运动”.
推进新课
一、落体运动的思考
（展示问题）
（1）亚里士多德的观点：物体越重，下落越快.
公元前，人们对物体下落的研究很少，凭着观察认为重的物体比轻的物体下落得快.当时，著名的思想家亚里士多德（Aristotle，前384—前322）经过了观察和总结认为“物体下落的速度与重力成正比”.这一观点正好应和了人们潜意识里的想法；同时，它又是伟大的亚里士多德提出的论断，人们深信不疑.从那以后，人们判断物体下落的快慢，甚至给孩子们上课时一直坚持这一观点，这一观点一直延续了2 000多年，从没有人对它提出异议.
实验探究
猜想：物体下落过程的运动情况与哪些因素有关，质量大的物体下落的速度比质量小的快吗？
(实验)：
取两枚相同的硬币和两张与硬币表面面积相同的纸片，把其中一张纸片换成纸团，在下述几种情况下，都让它们从同一高度自由下落，观察下落快慢情况.
①从同一高度同时释放一枚硬币和一个与硬币面积相同的纸片，可以看到硬币比纸片下落得快，说明质量大的下落得快.
②两张完全相同的纸片，将其中一张卷紧后从同一高度同时释放，观察到卷紧的纸团比纸片下落得快，说明质量相同时体积小的下落得快.
③将一枚硬币与已经粘贴了纸片的硬币从同一高度同时释放，观察到一样快，说明体积相同质量不同时下落一样快.
④一块面积较大的硬纸板、一个小软木塞，分别放到已调平的托盘天平的两个盘中，可以看出纸板比软木塞重，从同一高度同时释放它们，软木塞比纸板下落快，说明在特定的条件下，质量小的下落得会比质量大的还快.
结论：物体下落过程的运动情况与物体质量无关.
（2）逻辑的力量
16世纪末，意大利比萨大学的青年学者伽利略(Galileo Galilei，1564—1642)对亚里士多德的论断表示了怀疑.后来，他在1638年出版的《两种新科学的对话》一书中对此作出了评论.
根据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大.假定大石头的下落速度为8，小石头的下落速度为4，当我们把两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着而减慢，结果整个系统的下落速度应该小于8；但两块石头捆在一起，总的质量比大石头还要大，因此整个系统下落的速度要比8还大.这样，就从“重物比轻物落得快”的前提推断出了互相矛盾的结论，这使亚里士多德的理论陷入了困境.为了摆脱这种困境，伽利略认为只有一种可能性：重物与轻物应该下落得同样快.
（传说伽利略在比萨斜塔上做过落体实验，但后来又被严谨的考证否定了.尽管如此，来
自世界各地的人们都要前往参观，他们把这座古塔看作伽利略的纪念碑）
猜想：既然物体下落过程中的运动情况与物体质量无关，那么为什么在现实生活中，不同物体的落体运动，下落快慢不同呢？我们能否猜想是由于空气阻力的作用造成的呢？如果没有空气阻力将会怎样呢？
“牛顿管”的实验
将羽毛和金属片放入有空气的玻璃管中，让它们同时下落，观察到的现象是金属片下落得快，羽毛下落得慢.将羽毛和金属片放入抽去空气的玻璃管中，让它们同时下落，观察到的现象是金属片和羽毛下落的快慢相同.
做牛顿管对比实验要注意：
①抽气达到一定的真空度时，应先关闭钱毛管阀门，然后再停止泵的运转.
②先让学生观察羽毛、软木塞或金属片在已抽成真空的牛顿管中同时下落，它们几乎同时落到管底.
③打开进气阀，让学生注意听到进气的声音，看羽毛被气流吹起的现象，再让学生观察羽毛、软木塞或金属在有空气的牛顿管中同时下落，它们的下落快慢差别很大.
④实验时，勿使金属片压在羽毛上，以免不抽气时出现同时下落的现象.
结论：影响落体运动快慢的因素是空气阻力的作用，没有空气阻力时，只在重力作用下轻重不同的物体下落快慢相同.
［小资料］
流体的阻力
气体和液体都具有流动性，统称为流体.物体在流体中运动时，要受到流体的阻力，阻力的方向与物体相对于流体运动的方向相反.汽车、火车、飞机等交通工具在空气中运动，要受到空气的阻力.快速骑自行车，我们就会感到空气的阻力，轮船.潜艇在水面或水下航行，要受到水的阻力.鱼在水中游动，人在水中游泳，都要受到水的阻力.
流体的阻力跟物体相对于流体的速度有关，速度越大，阻力越大.雨滴在空气中下落，速度越来越大，所受空气阻力也越来越大.当阻力增加到与雨滴所受重力相等时，二力平衡，雨滴开始匀速下落.流体的阻力跟物体的横截面积有关，横截面积越大，阻力越大.跳伞运动员在空气中张开降落伞，凭借着降落伞较大的横截面积取得较大的空气阻力，得以比较缓慢地降落.航天飞机着陆后，在飞机后面张开一面类似降落伞的装置，加大阻力，以便较快地停下来.
流体的阻力还跟物体的形状有关系，头圆尾尖的物体所受的流体阻力较小，这种形状通常叫做流线型.鱼的形状就是流线型的.为了减小阻力，小轿车、赛车、飞机、潜艇以及轮船的水下部分，外形都采用流线型设计.
一般来说，空气阻力比液体阻力、固体间的摩擦力要小.气垫船靠船下喷出的气体，悬浮在水面上航行，阻力减小，速度很大.磁悬浮列车靠电磁力使列车悬浮在轨道上行驶，速度可高达500 km／h.
空气的阻力正是亚里士多德形成其运动观点的原因所在，如果没有空气的阻力，“一切物体都会同时落地了”.
课堂训练
下面的图2-1-1所示是课题研究小组进行自由落体运动实验时，用频闪连续拍照的方法获得的两张照片A和B，任选其中的一张，回答下列几个问题：
图2-1-1
（1）我选图:___________________.
（2）我从图中观察到的现象是:____________________________________________________.
（3）请对你所观察到的现象进行解释.
参考解答1：
纸片和纸团下落图2-1-2
（1）A
（2）质量相等的纸片和纸团同时释放，纸片比纸团下落得慢.
或：质量相等的纸片和纸团同时释放，纸团比纸片下落得快.
（3）质量相等的纸片和纸团，它们的重力相等.由于空气的
阻力对纸片的影响较大，不能忽略，所以纸片下落加速度较小.
如果把纸片揉成纸团，空气阻力对纸团的影响较小，纸团下落
加速度较大，所以质量相等的纸片和纸团同时放手，纸片比纸团下落得慢.
参考解答2：
图2-1-3
（1）B
（2）体积相等的铅球和木球同时释放，几乎是同时落地的.
（3）阻力对它们的影响很小，几乎可以忽略，所以体积相等的铅球和木球几乎
是同时落地的.
二、记录自由落体运动轨迹
师 阅读课本并回答：（1）什么叫自由落体运动？（2）自由落体运动的特点是怎样的？
生 物体仅在重力作用下，从静止开始下落的运动，叫自由落体运动.特点是：（1）初速度为零；（2）只受重力作用，没有空气阻力或空气阻力可以忽略不计.
师 在地球表面附近从高处下落的物体，事实上都受到空气阻力的作用，因此，严格地说，实际生活中并不存在只受重力作用的自由落体运动.但若物体在下落过程中所受空气阻力远小于重力，则物体的下落也可看作自由落体运动.例如，对于实心金属球、石块等，在它们运动速度不大的情况下，可以忽略空气阻力的影响，把它们的自由下落看成自由落体运动；若它们从非常高的地方自由下落，当它们的速度增加到一定程度，空气阻力不能忽略，它们运动的全过程就不能看成自由落体运动.而对于另外一些物体如一团棉花或纸片从空中由静止下落时，与重力相比，空气阻力的影响太大不能忽略，它们的运动就不能看作自由落体运动.
提出问题：伽利略认为，自由落体运动是一种最简单的变速运动.而探究物体运动的规律，最直接、最简单的方法是从研究物体运动的轨迹开始，从物体运动的轨迹中获取自由落体运动的有效信息.
实验探究
按照课本上的图装置好实验，将一系有纸带的重物从一定的高度自由下落，利用打点计时器记录重物的下落过程.
说明：落体运动物体的位置往往变化得比较快，凭目测难以观察和记录，用打点计时器或频闪照相就可以记录下运动物体每隔相等时间所在的位置（运动信息），这样得到的纸带（或照片）可以用来对运动过程进行分析.教材中用打点计时器较好地将重物下落过程记录下来，这样做既简便易行，又拓宽了对基本仪器的应用，但实验的准确度较难把握.因此在实验中要注意：
①按教材图示和实验要求连接好线路，并用手托重物将纸带拉到最上端；
②打点计时器的安装要使两限位孔在同一竖直线上，以减少摩擦阻力；
③应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小；
④先接通电路再放开纸带；
⑤手捏纸带松手之前，不要晃动，保证打出的第一个点清晰；
⑥重复上述步骤多次，直到选取只有打出的第一点与第二点之间间隔约为2 mm的纸带才是有效的；（学生的疑问暂且不要解释）
⑦教师一定要提醒学生思考讨论，影响实验准确度的因素有哪些？并给予具体引导，注意培养实事求是的科学态度；
⑧要求学生保存好记录了自由落体运动信息的纸带，为下节课研究运动规律做准备.
师 完成实验后，分析纸带上记录的运动信息，请思考下列问题：
（1）自由落体运动的轨迹是怎样的？
（2）重物做自由落体运动的过程中，其速度有没有发生变化？
（3）有的同学从实验结果中得出s∝t2，有的同学得出s∝t，你的结论又如何呢？
（4）相邻、相等时间间隔的位移之差有怎样的关系？
（5）影响实验精确程度的因素有哪些？
参考：分析纸带可获取信息：
（1）自由落体运动的轨迹是一条直线，速度方向不变；
（2）连续相同时间内的位移越来越大，说明速度越来越大，即速度大小改变，具有加速度；
（3）位移s与时间t的平方成正比；
（4）相邻、相等时间间隔的位移之差相等；
（5）影响实验精确度的因素主要是阻力.
课堂训练
意大利的城市比萨有座著名的塔，建于1173年，塔高55.4米，由于塔基问题，塔身发生倾斜，这正是理想的落体实验场所.传说，经典力学与实验物理学的先驱者伽利略为了证明他的论断，曾于1590年的某天邀请了许多支持者和反对者到斜塔旁观看他的实验.只见伽利略一步一步登上塔顶，一手拿着一只1磅重的小球，另一手拿着一只10磅重的大球，在提醒观众注意后一松手，两只球同时开始笔直下落.伽利略令人信服地胜利了.
这段描述今天已无从证实是否真实地发生过，然而比萨博物馆至今还展览着据说是当年伽利略用来做实验的铁球，比萨斜塔也由于这个传说而更加闻名于天下了.
（1）请同学们补充上述实验的结果——两个各重1磅与10磅的球落地的先后情况是怎样的？
（2）这个实验证明了什么结论？
参考结果:(1)同时落地;(2)物体下落过程的运动情况与物体质量无关.
课堂小结
1.自由落体运动是一种非常重要的运动形式，在现实生活中有许多落体运动可以看成是自由落体运动，研究自由落体运动有着普遍的意义.
2.为了研究自由落体运动，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模型——自由落体运动，并且研究了自由落体的运动规律，理想化是研究物理问题常用的方法之一，在后面的学习中我们还要用到.
3.在研究自由落体运动的过程中我们还给大家介绍了归谬法，即理论推导的一种重要方法，同学们的学习重要的是研究问题的方法而不是知识本身，知识的结论当然重要，但更重要的是如何获取知识，中学学习的一个非常重要的方面就是如何获取知识、处理知识.
4.自由落体运动是一种简单的基本的运动形式，抛体运动可以看成是另一个运动形式与自由落体运动的合成，也就是说自由落体是研究其他抛体运动的基础，一定要抓住其产生的条件和运动规律.
布置作业
课后练习
板书设计
第一节 探究自由落体运动
亚里士多德的观点
物体越重，下落越快
伽利略的观点
物体下落过程中的运动情况与物体的质量无关
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，叫自由落体运动
自由落体运动规律
（1）自由落体运动的轨迹是一条直线，速度方向不变
（2）连续相同时间内的位移越来越大，说明速度越来越大，即速度大小改变，具有加速度
（3）位移s与时间t2的平方成正比
（4）相邻、相等时间间隔的位移之差相等
（5）影响实验精确度的因素主要是阻力
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