自由落体运动 教案— 高一上学期物理人教版(2019)必修第一册.doc

1课题课题自由落体运动自由落体运动学科学科 物理年级年级高一时长时长1 课时教学教学背景背景分析分析1、伽利略对自由落体运动的研究方法在物理学知识体系中的地位、伽利略对自由落体运动的研究方法在物理学知识体系中的地位落体运动的研究是物理学产生和发展的源头。伽利略倡导的科学思想方法的核心是把实验和逻辑推理（包括数学推演）和谐地结合起来，从而有力地推进了人类科学认识的发展。这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉，也是他对近代科学的最重要贡献。2、 高中物理课程标准高中物理课程标准对本课的要求对本课的要求1.1.4 通过实验，认识自由落体运动规律。结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。了解伽利略的实验研究工作，认识伽利略有关实验的科学思想和方法。查阅资料，了解亚里士多德关于力与运动的主要观点和研究方法。查阅资料，了解伽利略研究由由落体运动的实验和推理方法。活动建议活动建议（1）观察质量相同、大小和形状不同的物体在空气中下落的现象，了解空气阻力对落体运动的影响。（2）查阅资料，了解并讨论伽利略关于物体运动的实验研究对科学发展和人类进步的重大意义。3、教学内容分析、教学内容分析本节内容编排在人教版高一物理第二章第匀变速直线运动的第 4 节。是在学生学习过位移、速度、加速度、匀变速直线运动等概念，以及通过打点计时器研究这些物理量和运动之后，通过回顾伽利略当初的研究过程，带领学生初步领略研究物理问题的基本思路（观察、提出问题、逻辑推理与实验相结合进行检验、结论） ，以及物理学中常用的科学思想（抓住主要矛盾忽略次要因素、自然界具有简洁美等） 。本课是重在培养学生思维的研究课，不可当做本章的复习课或者应用课。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。教学内容是以“伽利略对自由落体运动的探究”为载体的一个完整的科学思维培养课，包含了“观察与分析、初步结论、问题与猜想、逻辑分析、实验验证、逻辑推理、初步结论、现代实验”这些完整的科学探究步骤。用探究学习方式培养学生探索事物本质的思维方式，研究方法及创新能力，最终使学生获得“像科学家那样去探索，去发现事物本质”的能力。为了让学生更好地经历探究的过程，教师补充大量阅读资料，教师引导学生通过阅读，使学生在探究式学习的过程中体验方法、学习方法，重走伽利略的发现之路。自由落体运动设计为 2 个课时，本节内容是第 1 课时，主要让学生经历自由落体运动的科学探究过程，下一课时在探究的基础上展开对自由落体运动加速度的测量及其规律应用的教学。本节内容的涉及的阅读材料较多，需要老师精选挑选和准备。4、学情分析、学情分析（1）认知层面认知层面高一新生对高中对物理知识的深入学习准备不足，如果不能及时将形象思维向抽象思维过渡，仍用一种经验型的思维学习，将陷入学习困境。本节课涉及知识较多，涉及到物理核心素养中物理观念、科学思维、科学探究和科学的态度与责任。2（2）知识技能层面知识技能层面通过之前的学习，学生已经有位置、位移、速度、加速度、匀变速直线运动的基本概念。也经历过了用打点计时器探究运动的基本过程。因此学生具备了本节课所需的基础知识和基本技能。针对本班学生情况及本次课堂的教学目的，在本节课上，将科学探究过程的重点放在了学生“阅读归纳” 、 “提炼思想方法”这两个环节上。这不仅有利于在有限的课堂时间内完成科学探究任务，而且能使所侧重的探究过程更加深入、具体，这有利于提高学生的科学探究能力。5、 教学重点和难点教学重点和难点（1）教学重点：）教学重点：1. 通过阅读及归纳，总结出物理学研究问题的一般方法。2. 通过对自由落体运动的研究，了解常用的物理思想方法。（2）教学难点：）教学难点：1. 伽利略通过数学分析建立匀变速运动的速度-时间图像及相关概念。2. 伽利略实验中的困难及对应解决方案。6、 教学资源教学资源多媒体设备、实验展台、多媒体设备、实验展台、PPTPPT、学生阅读材料、视频、学生阅读材料、视频教师演示器材：教师演示器材：羽毛、纸片、粉笔头、钱羽管（2 个）教学教学目标目标1. 通过分析影响落体的主要因素，让学生掌握什么是自由落体运动。通过分析生活中的落体运动，让学生掌握抓住事物的主要矛盾，从简单问题开始研究的方法。2. 通过伽利略对亚里士多德的质疑，以及斜面实验结论的外推，了解逻辑的力量。3. 通过伽利略对落体阻力的研究，让学生了解自由落体运动是理想化运动模型。4. 通过了解伽利略对自由落体运动的研究，让学生自己总结物理学的一般研究方法，使学生获得“像科学家那样去探索，去发现事物本质”的体验，领悟科学精神、物理思想。教学教学设计设计流程流程自由落体运动伽利略的研究逻辑力量，战胜权威观察分析，初步结论数学分析，建立概念提出问题，科学猜想间接实验，勇敢外推观察我们的研究分析猜测问题验证钱羽管实验月球上的落体NASA 真空落体现代实验3教学教学环节环节教师活动教师活动学生活动学生活动活动意图活动意图一、一、创设情创设情境，引境，引入新课入新课5min提问：提问：请同学们列举生活中物体下落的现象。演示：演示：纸片、羽毛、小石头（注意空气不要流动，不开门窗空调）揉成团、搓成球提问：提问：根据改变运动状态的因素不同，将这些现象分成两类提问：提问：物体下落的主因是什么？影响下落的因素？ 小结并提出问题：小结并提出问题：阻力较大情况下，物体的下落各不相同，较为复杂。阻力较小的，如果阻力比重力小很多，阻力可以忽略,物体就是只在重力作用下的运动。不同物体只在重力作用下的下落会相同吗？猜想依据？ 举例：树叶、羽毛、雪花、飞船回归、雨滴、鸟粪、苹果、鸡蛋、小石头观察（阻力明显的、阻力较小的自由的）重力；环境阻力。经验，感觉； 质量不同的物体，重力大小不同，但重力都是由地球吸引而产生的。本环节为我们对落体运动的的定性探究。通过生活实例及观察演示实验，创设情境，提出问题，使学生的大脑思维处于兴奋状态，明确学习目标，进入新课学习。教学教学活动活动设计设计二、二、伽伽利略对利略对自由落自由落体运动体运动的研究的研究25min1 1用逻辑战胜权威用逻辑战胜权威教师给出阅读材料 1问题问题 1 1：如何客观评价亚里士多德？时代局限性体现在哪几个方面？教师给出阅读材料 2问题问题 2 2：（1）亚里士多德对物体下落快慢持何种论断？分析他的快慢是指什么？请你用自己的语言驳斥亚里士多德的论断并得出你的观点。伽利略提出，如果把一轻物和一重物绑在一起释放会怎么样从同一个前提，竟推出了两种相反的结论，可见亚里士多得的前提，也就是“轻物应该比重物下落得慢”是错的！结论：轻重物体下落一样快。（2）伽利略的开创的研究方法是什么？对落体运动得到的结论是什么？逻辑推理一定要与事实结合：2 2观察分析得到初步结论观察分析得到初步结论教师给出阅读材料 3问题问题 3 3：请你设计阻力对落体运动影响的实验及理想实验方案。学生阅读、回答：“集大成者” 。权威束缚了人们的思想；没有建立认识世界的正确方法；被教会利用。重的物体下落快，同样高度重的物体先落地，落地时间短（他的时代没有速度、加速度概念）逻辑推理与实验相结合的方法；如果没有空气阻力，所有物体下落的快慢都一样，即同样高度，落地时间相同。没有空气阻力只能在真空发生，在有空气的空间，只要空气阻力作用比较小，起到次要因素就可以忽略。学生汇报使学生全面了解亚里士多德的成就，客观评价亚里士多德的学术地位。伽利略的伟大在于拒绝听信任何未经实验的科学思想，哪怕来自教会或权威。研究方法的差别导致了二人研究结论的差距。伽利略在比萨斜塔扔大小球的传说是假的，人们仍愿意把比萨斜塔当做伽利略纪念碑一样去膜拜参观。43 3提出新问题，做出科学猜想提出新问题，做出科学猜想教师给出阅读材料 4问题问题 4 4：（1）提出问题？（2）科学猜想：他猜想落体也一定是一种最简单的变速运动，提出科学猜想？4 4数学分析，建立运动相关概念数学分析，建立运动相关概念教师给出阅读材料 5问题问题 5 5：伽利略的图形与我们现在的速度-时间图像是什么关系？图像中怎样体现瞬时速度、平均速度、匀变速直线运动？如何在此基础上建立加速度的概念？5 5间接性实验，有逻辑的勇敢外推间接性实验，有逻辑的勇敢外推教师给出阅读材料 6问题问题 6 6：简述伽利略探究自由落体运动性质过程中遇到的主要困难及解决方法。最后将倾角勇敢外推至 90，得到自由落体运动是匀加速直线运动。总结伽利略的研究方法（1） “自由”落体运动是什么样的运动？（2）自由落体的速度应该是均匀变化的。图 2 加上坐标系就是v-t 图像。该图形直观给出瞬时速度、平均速度概念，定义出匀加速运动，从而自然地抽象出速度变化率：加速度。困难 1：要验证从vt，无法直接测量某一时刻的 v，转化法：测量验证 xt 2；困难 2：只能用水滴计时，设计了斜面实验：倾角一定时小球做匀加速直线运动。困难 3：斜面上的运动不是自由落体，大胆外推。（寻找规律）伽利略相信，自然界的规律是简洁明了的。数形结合转化法放大法思想实验5三、三、现现代实验代实验的验证的验证12min1钱羽管实验钱羽管实验有条件可以现场逐渐抽气，对比阻力变小，落体快慢（为节约时间也可以两个管，一个真空一个有部分空气） 。2教师播放视频，给出阅读材料7阅读问题阅读问题 7 7：伽利略倡导的科学思想方法的核心是什么？3教师播放视频，给出阅读材料8学生观察体会科学研究过程和方法的一般性。把实验和逻辑推理（包括数学推演）和谐地结合起来。过滤阻力影响，抓落体的本质。落实科学态度与责任四、课四、课堂小结堂小结3min请同学总结本节课学习到了哪些物理思想方法。通过本节学习，我们知道了自由落体运动是一种初速度为 0 的匀变速直线运动，请你根据所学知识设计一种测定自由落体运动加速度的实验方案，回顾本节课学习内容为下一节课做好铺垫总结提升板书设计板书设计阅读材料见下页：2.4 自由落体运动自由落体运动一、落体现象的分析一、落体现象的分析1.影响因素：重力、阻力2.问题：只受重力运动？3.猜想：相同，根据：？二、伽利略的研究二、伽利略的研究1.逻辑战胜权威2.观察分析、初步结论3.问题与猜想4. 数学分析，建立概念5. 实验与逻辑结合三、现代实验验证三、现代实验验证1.钱羽管2.月球落体3.nasa 实验室四、思想方法四、思想方法1.抓住主要因素2.逻辑分析、数学推理3.实验、理想实验62.42.4 自由落体运动自由落体运动班级：_ 姓名：_【阅读材料阅读材料】1认识亚里士多德亚里士多德（Aristotle 公元前 384前 322） ，古代先哲，古希腊人，世界古代史上伟大的哲学家、科学家和教育家之一，堪称希腊哲学的集大成者。他是柏拉图的学生，亚历山大的老师。公元前 335 年，他在雅典办了一所叫吕克昂的学校，被称为逍遥学派。马克思曾称亚里士多德是古希腊哲学家中最博学的人物，恩格斯称他是“古代的黑格尔” 。作为一位百科全书式的科学家，他几乎对每个学科都做出了贡献。他的写作涉及伦理学、形而上学、心理学、经济学、神学、政治学、修辞学、自然科学、教育学、诗歌、风俗，以及雅典法律。亚里士多德的著作构建了西方哲学的第一个广泛系统，包含道德、美学、逻辑和科学、政治和玄学。他的全部作品有 47 部留存下来。在古希腊的众多学者中，他是最认真、最系统地研究运动、空间和时间问题的人。这些工作体现在他的物理学一书中，这是世界上最早的物理学著作。英语中的物理学一词“physics”就源于此书。由于历史的局限性，他的有些认识是错误的。亚里士多德因其在多个学术领域的成就和影响，被人们看成是不可动摇的权威，这在相当程度上束缚了人们的思想。再者，他对运动的看法比较符合人们的日常直觉，当时的人们还没有掌握认识世界的正确方法，所以在此后 2000 多年的漫长岁月中，人们一直把他的理论当作金科玉律。最后，教会利用他的学说来捍卫基督教的世界观和价值观，从而维护教会权威和统治。主要是他在天文学，哲学，物理学上的主张。亚公认为，地球是宇宙的中心，所有天体都围着地球转。圣经里说大地静止不动，太阳和月亮绕着静止不动的大地起落。他在哲学逻辑学上的像三段论之类的方法也被应用于神学的论证，用来修补神学日益凸显的问题。如何客观评价亚里士多德？其时代局限性体现在哪几个方面？2自由落体运动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。平常人们观察到的事实是，一块石头比一片树叶落得快些亚里士多德认为释放后7任何物体都将很快达到某个下落的最后速率，这个速率随物体的重量增大而增大，随媒介阻力增大而减小。他的结论是在同种媒介中，重的物体下落得快。他的这一论断符合人们的常识，以至于其后两千年的时间里，大家都奉为经典。1632 年出版的关于两门新科学的对话第 58 页，记录了伽利略的思想实验：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；但是，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。这种相互矛盾的结论，说明亚里士多德“重的物体下落得快”的看法是错误的。根据仔细的分析，伽利略认为物体下落的运动只有一种可能性：重的物体与轻的物体应该下落得同样快。因宣传哥白尼的地动说，1616 年宗教裁判所谴责伽利略并要求他保持沉默，这次他受到第二次审判，这位 70 岁的老人遭受了侮辱、监禁、威胁，他被迫当众跪着表示“公开放弃、诅咒和痛恨地动说的错误和异端” ，他被隔离监禁，直到他失明且病得十分瘦弱以后，才被准许有稍多一点自由。伽利略是最早教导人们不能把圣经当做科学教科书的人之一，他教导这样一种真理，即世界只能慢慢地去认识。（1）亚里士多德对物体下落快慢持何种论断？分析他的快慢是指什么？请你用自己的语言驳斥亚里士多德的论断并得出你的观点。（2）伽利略的开创的研究方法是什么？对落体运动得到的结论是什么？83关于阻力的实验探究伽利略对落体现象进行细致观察、分析，指出亚里士多德的错误源于对空气阻力认识不足。关于介质阻力，伽利略还进行过一个理想实验，有如下材料：金（18.8g/cm3） 、铅（11.3g/cm3） 、铁（7.87g/cm3） 、木四个体积相同的球，水银（13.5g/cm3）介质、水（1g/cm3） 、空气（密度很小） 。请你设计阻力对落体运动影响的实验及思想实验方案。4伽利略对自由落体运动的研究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。伽利略首先面临的困难是概念上的。因为那时人们连速度的明确定义都没有，所以，对伽利略来说，必须首先建立描述运动所需的概念。此前我们所学的概念，诸如平均速度、瞬时速度以及加速度等，就是伽利略首先建立起来的。伽利略相信，自然界的规律是简洁明了的。 他从这个信念出发，猜想落体一定是一种最简单的变速运动，而最简单的变速运动，它的速度应该是均匀变化的。但是，速度的变化怎样才算“均匀”呢？他考虑了两种可能： 一种是速度的变化对时间来说是均匀的，即 v 与 t 成正比，例如每过 1 s，速度的变化量都是 2 m/s； 另一种是速度的变化对位移来说是均匀的，即 v 与 x 成正比，例如每下落 1 m，速度的变化量都是 2 m/s。果真如此的话，则物体通过两段距离所用的时间将和通过第一段距离所用时间一样。也就是说，通过第二段距离不必花时间，这显然是荒谬的（尽管这段推理存在一定的逻辑缺陷，这其中包含了一定程度的直觉，但终究认识到第二种模型不适合于自由落体运动） 。（1）提出什么问题？（2）科学猜想：他猜想落体也一定是一种最简单的变速运动，提出科学猜想？95伽利略通过数学分析，建立“自然加速运动”相关概念（关于两门新科学的对话第 159-171 页）匀速直线运动不需要解释，用位移随时间的变化率表示速度也容易理解。非匀速直线运动怎样描述？速度是均匀变化的！速度的怎样变化才算“均匀”变化呢？伽利略在两门新科学的对话中有这样的讨论：若自由落体运动的速度是随时间均匀变化，加速物体在下落第一段时间后已得到某一速度，于是在落下时间加倍时，速度也应加倍。用几何直观描述最简单的变速运动、建立概念，如图 1：假设一个物体以匀加速直线运动从静止状态下落到某点，用线段 AB 表示下落的时间t，用线段 AC 到 AB 上的横线来表示任意时刻的速度，这就是瞬时速度概念的几何直观表达与下落时间成正比。线段 BC 表示 B 时刻物体下落的瞬时速度，D 为 BC 的中点，线段 DB 就能表示物体下落的平均速度，长方形 ABDE 是平均速度与时间的乘积，当然可以表示下落的位移。根据几何知识，三角形 ABC 的面积也能表示下落的位移。伽利略探究自由落体运动是科学建模的过程。在没有微积分数学工具的情况下，创建瞬时速度和加速度的概念。从平均速度到瞬时速度的概念转化，渗透着微分的思想。由各个时刻瞬时速度计算位移大小的方法渗透着积分的思想（通过图 6-21 回忆一下2.3 中，我们是如何证明“面积”表示位移的） 。伽利略的图形与我们现在的速度-时间图像是什么关系？图像中怎样体现瞬时速度、平均速度、匀变速直线运动？如何在此基础上建立加速度的概念？ACBDEF图 1ACBDEF图2106间接性实验，有逻辑的勇敢外推间接性实验，有逻辑的勇敢外推伽利略想办法用实验来检验 v 与 t 成正比的猜想是否是真实的。伽利略所处的时代技术不够发达，无法直接测定瞬时速度，所以也就不能直接得到速度的变化规律。但是，伽利略通过数学运算得出结论：如果物体的初速度为 0，而且速度随时间的变化是均匀的，即 vt，它通过的位移就与所用时间的二次方成正比，即 xt 2。这样，只要测出物体通过不同位移所用的时间，就可以检验这个物体的速度是否随时间均匀变化。但是，落体下落得很快，而当时只能靠滴水计时，这样的计时工具还是不能测量自由落体运动所用的时间。伽利略采用了一个巧妙的方法，用来“冲淡”重力。 他让铜球沿阻力很小的斜面滚下（图 2.4-5） ，而小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落的加速度小得多，所用时间长得多，所以容易测量。伽利略做了上百次实验，结果表明，小球沿斜面滚下的运动的确是匀加速直线运动，换用不同质量的小球，从不同高度开始滚动，只要斜面的倾角一定，小球的加速度都是相同的。伽利略将上述结果做了合理的外推：当斜面倾角很大时，小球的运动不是跟落体运动差不多了吗？如果斜面的倾角增大到 90，这时小球的运动不就是自由落体运动了吗？（图 2.4-6）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！伽利略的逻辑和实验自然使人钦佩，但是人们又疑惑地问道：为什么日常生活中常会见到，较重的物体下落得比较快呢？伽利略把原因归之于空气阻力对不同物体的影响不同。他写道：“如果完全排除空气的阻力，那么，所有物体将下落得同样快。 ”这时，落体运动也就真正成为自由落体运动了。为此，伽利略特别指出，在科学研究中，懂得忽略什么，有时与懂得重视什么同等重要。伽利略对运动的研究，不仅确立了许多用于描述运动的基本概念，而且创造了一套对近代科学的发展极为有益的科学方法。这些方法的核心是把实验和逻辑推理（包括数学演算）和谐地结合起来，从而发展了人类的科学思维方式和科学研究方法。简述伽利略探究自由落体运动性质过程中遇到的主要困难及解决方法。117伟大的月球落体运动实验1971 年阿波罗 15 号登月,宇航员大卫大卫斯科特斯科特在没有空气的月球上将一根羽毛和一把铁锤同时由静止释放,发现它们同时竖直地落到月球表面。宇航员清楚，虽然紧靠伽利略的落体定律还不能登月，但没有以伽利略落体定律为代表的科学基础，人类社会是不会有今天辉煌的科学技术成就的。伽利略是近代物理学的创始人，物理学是所有现代技术的基础。在伽利略的研究成果得到公认之前，物理学以至整个自然科学只不过是哲学的一个分支，没有取得自己的独立地位。当时，哲学家们被束缚在神学和亚里士多德教条的框框里，他们苦思巧辩，得不出符合实际的客观规律。伽利略敢于向传统的权威思想挑战，不是先臆测事物发生的原因，而是先观察自然现象，由此发现自然规律。伽利略倡导的科学思想方法的核心是把实验和逻辑推理（包括数学推演）和谐地结合起来，从而有力地推进了人类科学认识的发展。这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉，也是他对近代科学的最重要贡献：伽利略之前的科学踯躅于泥途荒滩，因而千年徘徊。 从伽利略开始，大师辈出，经典如云，近代科学的大门从此打开了。8令人震撼的自由落体实验（布莱恩布莱恩考克斯考克斯人类宇宙第四集）人类宇宙（Human Universe） 中，布莱恩考克斯（Brian Cox）教授准备测试自由落体运动。为了亲眼目睹这一壮举，他跋涉到了 NASA 太空电力工厂（Space Power Facility） ，在美国俄亥俄州克利夫兰附近。这里是世界上最大的真空室，用于模拟太空环境，进行航天器测试。将真空室大门关闭，用了三个小时将密室里的 80 万立方英尺（约 2.3 万立方米）的空气抽空。按下释放按钮，保龄球和羽毛从空而落：“它们真的同时落地了！12问题 1：整体思路设计较好，从我们的研究到大师伽利略先生的研究到现代科技对自由落体的研究，体现了深度学习的基于学生基础，结合生活实际的物理特点。问题 2：所有问题都是经过思想实验和实验给予验证的，这也体现了学生从问题到思考，再到验证的过程，也是一种深度学习。教学关注知识和概念的形成过程，在物理关键基础上，也发展了学生的科学思维。13