探究自由落体运动 教学设计

【课标要求】

（1）通过史实，初步了解近代实验科学产生的背景，认识实验对物理学发展的推动作用。

（2）经历匀变速直线运动的实验研究过程，了解匀变速直线运动的规律，体会实验在发现自然规律中的作用。

【教材分析】

选自人教版普通高中课程标准实验教科书《物理》（必修1）第二章《匀变速直线运动的研究》第四节《自由落体运动》。

落体运动是一种常见的运动，伽利略对自由落体运动的研究意义重大。关于自由落体运动的学习分成两节来讲授。本节按照伽利略对自由落体运动的研究过程和科学思维过程，使学生认识自由落体运动。下一节通过演示、实验、分析得出自由落体运动的规律，明确重力加速度的意义，使学生对自由落体运动规律有具体、深入的认识。

【学情分析】

在前面的教学中，学生已经初步掌握了平均速度、瞬时速度、加速度的概念，并用电磁打点计时器研究过匀速直线运动和匀变速直线运动，同时对物理学中的理想模型有了一定的认识，具备了初步的逻辑思维能力和运用控制变量的研究方法。

【任务分析】

教学问题从生活中来（通过“测反应时间”的游戏，引起学生的兴趣、质疑，引出课题）运用合作学习方式展开讨论（引导学生注意直觉经验和逻辑推理的矛盾，使学生明确下一步要解决的问题）利用分组实验组织学生进行实验探究（引导学生与情景对话，学生之间协商，积极主动的建构自己的知识和逻辑思维）讨论问题，回到生活中（利用钱毛管的演示，使学生认识到探究现象背后的实质原因是必须考虑外界因素的影响）学生自主实验探究自由落体运动（对物体情景的分析，实验数据的处理，逐步引导学生探究物理情景之间的物理量的关系）

【教学目标】

1、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）能用打点计时器得到相关的运动轨迹，并能自主分析纸带上记录的位移与时间等运动信息。

（3）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。

2、过程与方法

通过对落体运动的实验探究，初步学习使用变量控制法。

3、情感态度价值观

（1）通过实验探究落体运动的规律，激发学习兴趣，增强求知的欲望。

（2）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。

（3）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。

（4）培养学生仔细观察、认真思考、积极参与、勇于探索的精神。

（5）培养学生严谨的科学态度和实事求是的科学作风。

【重点难点】

1、对自由落体运动概念的认识和理解。

2、“观念思考推理猜想验证”是本节的重点思路，也是培养良好思维习惯的重要过程。

【设计思想】

现代学习理论认为学生进入课堂学习之前对世界和事物有先入为主的认识，教师的教学要引导学生阐发他们已有的理解，激起新旧知识的矛盾，进行有针对性的教学。

为了全面完成各项教学目标，本节教学设计以实验探索为主线，充分展现隐含在本节内容中的科学探究方法和科学思维方式。首先，通过“测反应时间”的实验游戏激发学生学习兴趣，引出研究的问题──落体运动，接着从生活经验和亚里士多德的观点出发进行巧妙的推理，使亚里士多德的理论陷入自相矛盾的境地，引起学生探究的兴趣。在此基础上学生自主进行实验探究，通过对实验结果的分析和讨论得出初步结论，提出物体下落快慢与质量无关的设想；再进一步通过教师演示“毛钱管”实验进一步验证设想。最后再由学生自主进行实验探究，利用打点计时器，记录自由落体运动的信息，为下一节定量地探究自由落体运动规律做好准备。

由于本节课学生自主实验探究的活动较多，故采用学生分组实验模式进行课堂活动，以小组为单位进行教师引导下的科学探究，加强小组同学间的讨论与交流，师生间的相互反馈，培养学生合作学习的精神。课堂以问题和小组交流贯穿教学的始终，不断提出新问题，不断解决新问题，培养学生的逻辑思维能力。

【教学方法】

教师演示、引导，学生实验探究，讨论、交流学习成果。

【教学过程】

一、引入新课

我们已经学习匀变速直线运动的规律，下面我们一起来研究我们常见的运动──落体运动。

二、进行新课

1．活动设计：测“反应时间”

教师活动：课前设计制作好“测反应时间尺”（在一约50cm长的尺的一面标记上自由下落对应长度所用的时间，以一面朝向学生）

引出问题：“一般刻度尺是用来测量什么的？”

学生活动：学生习惯性回答：测长度。

教师活动：老师手中的这把尺很神奇，它不仅能测量长度，还能测量时间，并且能测出同学们的大脑反应时间，谁想知道自己的大脑反应时间是多少？可以用我的这把尺来测量。（选3～4名学生上来玩“测反应时间”的游戏。）

学生抓住尺的同时就报出其反应时间，可采用“比比谁的反应时间短”的方式调动学生积极性。（实际教学效果表明学生对这一活动非常感兴趣，踊跃参与）

设计说明：在此将教材中的“做一做”栏目中的“测定反应时间”改为放在课前引入，目的是通过这一游戏产生“惊奇”效果，激发学生探究的兴趣，增强学生的感性认识，激发学习物理的兴趣，活跃课堂气氛。

2．引入课题

教师活动：同学们一定想知道这把尺为什么能测出你的反应时间。它的“奥秘”与我们今天要认识和研究的一种运动密切相关。

录像演示：

a．石头从空中落下

b．重力使屋檐下的雨滴下落

c．树叶从树上竖直飘落

教师引问：观察并指出以上物理情景中物体相似的运动特点。

学生活动：观察，思考，总结。

教师活动：教师在学生表述的基础上总结：画面中的物体都是从高处落到地处，这类下落的运动称为落体运动，这节课我们一起来研究落体运动是否具有一定的规律。

设计说明：从生活中构建物理情景或模型，以培养学生在生活中联系物理知识的好习惯。

3．关于落体运动的进一步思考

A．提出问题

落体运动的快慢与什么因素有关？（可以用观看赛跑的生活情景来说明我们研究物体运动往往首先关心的是物体运动的快慢，从而直接引入该问题）

（1）提示学生想象生活中经常见到的落体运动（或具体举例）。

提出疑问：以经验来看是否重的物体一定下落得快？

（2）直接经验：重得物体下落快──也是历史上亚里士多德认可的观点（简介亚里士多德）。

学生小组内相互交流对落体运动快慢的经验感受。

设计说明：此环节将对落体运动的研究落实在其运动的快慢上，直接问“是否重的物体一定下落得快”是为了更易进入主题。

B．引导学生从亚里士多德的观点进行逻辑推理，得出矛盾。

相互矛盾的结论既是对学生头脑中错误概念的震撼，也是激发学生进一步学习的手段，学生进行逻辑推理，可相互讨论，然后小组代表举手发言，其余倾听、思考。

逻辑推理为后面的研究指明了方向，使学生明确下一步要解决的问题。

C．组织学生进行实验探究

（1）教师引导学生设计实验，分别用一枚硬币（一元的效果不错）、两枚和硬币大小面积相同的硬纸片、一枚粘有硬纸片的硬币、一粒小塑料球，一团棉花（质量要比小塑料球的大）来比较轻重不同或相同的物体下落快慢。

①一枚硬币与一枚与硬币面积相同的纸片等高同时下落，比较下落快慢。

②一枚硬币与一枚粘有面积相同的纸片的硬币等高同时下落，比较下落快慢。

③将一枚硬纸片团成团，与另一枚大小面积相同的硬纸片等高同时下落，比较下落快慢。

④一粒小塑料球与一大团棉花等高同时下落，比较下落快慢。

设计说明：学生实验过程中教师在各个小组间巡视，收集学生实验过程中会出现的问题，引导学生在实验操作时如何创设实验条件（如怎样保证等高同时释放等）；启发学生注意总结实验现象中两物体下落快慢与物体轻重进行关联比较。

学生准备材料：硬币、纸片。课前要求学生准备材料时并没有告知学生具体用途，学生对此充满好奇，这也从一个侧面调动了学生的学习兴趣。

（2）学生进行实验与探究，小组成员分工进行实验操作、观察记录，在实验现象的基础上进行分析、讨论，得出本小组的结论。

结论一般有三种情况：

A．重的物体下落快；B．轻重不同而下落快慢相同；C．轻重相同而下落快慢不同。

考虑到如果能有与直觉经验完全相反的现象出现，学生的认识会更明确，故增加了“一粒小塑料球与一大团棉花下落快慢比较”的实验设计，体现“轻的物体可以比重的物体下落快”。

（3）分析小节

（a）选小组代表描述所观察的实验情景及小组的讨论。

（b）在学生探究的基础上教师讲解，引导学生明确：实验结果显示出物体下落快慢与其质量没有必然联系。

设计说明：教学的重心应放在精心准备的语言讲解上，归纳、认识、分析、发现。作出科学猜想，然后验证猜想，对学生进行科学方法教育，强化学生对自行探究问题的过程与方法的理解。此处由学生做结论时可以的，但学生的结论不应是最后结论，最后结论应是教师给出的，以加深学生的认识。

4．进一步探究影响物体下落快慢的因素

（1）引问：既然物体下落快慢与其质量没有必然联系，实际生活中物体下落快慢不同可能是受什么因素的影响。

学生从实验现象和生活经验可以猜想到是空气阻力影响。

（2）猜想：影响物体下落快慢的因素是空气阻力吗？

教师演示实验，验证猜想：毛钱管实验。（可考虑用电脑课件，老师同步讲解。）

（3）引导学生从观察到的实验现象得出结论。猜想、观察、思考、理解、体会。学生在教师的引导下可以从实验中得出结论：物体下落受到空气阻力的影响。没有空气阻力时，物体下落过程中运动快慢与质量无关。

通过毛钱管实验使学生认识：（1）探究现象背后的实质原因必须考虑或排除外界因素干扰。（2）科学实验是科学探究的有效方法。

5．自由落体运动的概念

（1）概念引入

引问：由于落体运动受到空气阻力影响，要想研究落体运动就必须排除空气阻力，那么，如果物体在下落过程中忽略空气阻力，物体的受力有什么特征。

学生以原有的力学基础可以很快答出：忽略空气阻力，则物体只受重力作用。

（2）自由落体运动

物体仅在重力作用下，从静止（即初速度为零）开始竖直下落的运动，叫做自由落体运动。

学生思考，联想，答问。概念认识强调自由落体运动实际上是一种理想条件下的运动，实际生活中物体受到空气阻力，但一般重力大于空气阻力。

6．学生自主实验探究自由落体

（1）引问：若要研究某种运动规律，我们可以采用怎样的方法和器材？

学会回顾前面学习匀变速直线运动的体验，可想到：利用打点计时器采用示踪（轨迹记录）法研究。

（2）组织学生分组实验：利用打点计时器记录重物的下落过程。（提醒学生操作注意事项）

（3）引导学生思考、讨论如何合理利用纸带记录的信息作初步分析：

A．轨迹──直线 方向──竖直向下

B．变速──速度越来越大──比较相等时间内发生的位移。

小组实验、操作、记录、思考、交流讨论，

（可提醒学生课前复习打点计时器的工作原理，重点强调任意两个相邻点（无论匀速或变速）的等时性。）

7．引导思考讨论

引导学生认识到研究运动规律的方法之一为寻找位移与时间的关系，故可以想到做s－t图象，分析推测自由落体运动规律。

基于本实验的特点，不容易确定起始点，故不方便准确测出s，从而给s－t图象的得出带来一定难度，这一点可在下一节课探究自由落体运动规律时解决。

三、课堂总结、点评

教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。

学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。

设计说明：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架

【板书设计】

【教学后记】

本节课从学生的“测反应时间游戏”引入，创设问题情景，建立问题期待，有效的激发学生学习的动机。从生活情景中构建物理情景或模型，有利于学生将所学的科学知识与社会，生活实际相联系；在教学中，学生经历的实验探究全过程就是一个学生充满兴趣和动力去不断解决问题的过程，学生从中能体会逐步解决问题的方法，提高解决问题的能力，小组内的讨论与交流活动能有效的培养学生的合作学习能力。

附：课外阅读材料（印发给学生）

一、亚里士多德为什么在物理问题中总是出错──评述亚里士多德的功与过

物理教科书上，亚里士多德给同学们的形象不好。他老是出错，请同学们讲一讲，他有哪些错误的结论。

“物体下落的快慢是由它的重量决定的，物体越重，下落得越快”、“力是维持物体运动的原因，用力推车，车才前进，停止用力，车子就要停下来”。

是否觉得亚里士多德实在太不高明，而伽利略则比他伟大千倍。其实这种看法过于偏激，事实上，亚里士多德是古代的一位伟大思想家，一位百科全书式的大学问家，他有着成就事业的理性方法，又有着几乎无所不及的思想成果，是古代科学思想的伟大代表，不仅在哲学、逻辑学方面的成就至今还被应用着，而且对物理学的前期发展是有贡献的。

①亚里士多德认为，物体永远在运动变化，“运动是永恒的，不能在一个时候曾经存在，在另一个时候不存在”这种运动永恒的观点具有唯物主义思想，包含辩证法的因素，至今仍是积极而有价值的。

亚里士多德提出的“自然运动”与“非自然运动”的理论。其中含有静止惯性的思想，在遥远的公元前，已是难能可贵的了。

②亚里士多德认为地上的物质由土、水、气、火这四种“基本元素”组成；企图从物质本身来说明自然，把科学从宗教与神话中解放出来，这一精神是有进步意义，这是人类幼年时代的思想精粹。

③亚里士多德主张大地是球形的，并列出了一些事实来证明。他说，当月蚀的时候，其显明的部份恰带有球形的形状……月蚀的成因乃是由于地球遮蔽月球之故，因而这就是说，地球表面的球形确定了月球的轮廓：认识到大地是球形，是一个重大的认识飞跃，为后来引力理论的建立作了思想准备。

这样一位伟大的学者为什么在物理问题上经常出错？亚里士多德的错误不在于头脑也不全在于时代，而在于研究方法。亚里士多德对物理的研究是采用“观察加直觉”的方法，他的那些错误结论是靠观察，并依赖直接推理，得出一系列直觉结论。固然，观察与直觉对物理研究是至关重要的。详细的观察和良好的直觉往往导致伟大的发现。然而物理学是一门以实验为基础的学科，所以根据直接观察所得出的直觉结论不是都可靠，有时会将人们引入歧途。如果说伽利略比亚里士多德伟大，就在于伽利略是第一位创造通过实验检验理论推导的科学研究方法的科学家．

二、伽利略与自由落体

亚里士多德的学说在十六世纪仍然如日中天，人人都奉为经典，没有人提出任何的怀疑。亚里士多德关于「自由落体」的学说是：物体自高处自由落下的速度和重量成正比。也就是说，一个十磅重的物体，下坠的速度会比一磅重的物体快十倍。这个学说在大小的外表上看来，似乎非常的合理，而且人人也都相信学说的真确性，教授们严肃的把这个学说教给他们的学生，学生们也都敬谨的接受这个学说，只有伽利略表示怀疑。

伽利略曾经亲眼目睹大小不同的冰雹，同时一起掉落到地。根据常识判断，它们似乎是从同一高度一起下坠的，但是按照亚里士多德的学说，较大的冰雹应该先落到地面上，小冰雹在接着掉来，伽利略观察到的并非如此。

他做了许多实验，发觉亚里士多德的学说是错误的，他决心指出这项错误。传说有一天，他邀请有关的教授到比塞塔前，拿出一个一百磅的重体，和一个一磅的重体。

伽利略问所有的教授们：

「假如这两个重体同时自塔顶自由落下，结果如何？」

教授们议论纷纷，谁也没有做过这样的实验，没有人敢预料结果如何。

以往，他们按亚里斯多德的学说照本宣科，从来没有怀疑过。现在，居然有一位二十五岁的青年，提出了要求证据的疑问。结果呢？要是两个重体以非常悬殊的速度坠落地面，教授们可以松一口气，证明亚里士多德的学说是正确的，伽利略将被冠上「说谎者」、「搅局者」的罪名。要是两个重体同时坠落地面？又将如何解释呢？是扬弃奉行多年的亚里士多德学说，接受伽利略实验所证明的事实，还是对伽利略的实验视若无睹？

比萨塔的倾斜度可以使坠体不受阻碍，伽利略塔顶大喊：

「看清楚了没有？下来了！」

两个重体砰然而下，小的重体始终和大的重体并行，而且同时落地。这两个重体的砰然一声，并不表示亚里士多德的学说已经崩溃。因为这一群教授在不想相信一件真实事物的时候，根本不去看一看、摸一摸，无论如何也不愿意承认亚里士多德的学说是错误的。更荒谬的是他们反而怀疑伽利略为了证实速度相同，而在重体内隐藏了「魔术」。

三、评述伽利略的科学研究方法

①比萨有座著名的塔，建于1173年。塔高54．6m（179英尺），由于塔基问题，塔身发生倾斜，那正是理想落体实验场所。伽利略为了证明他的论断，他邀请了许多人到斜塔旁观看，有他的支持者，也有他的反对者。伽利略一手拿着1只0．454kg（1磅）重的铅球，另一手拿着一只4．54kg（10磅）重的铅球，一步一步地登上斜塔，那些支持亚里士多德的学者发出“嘘嘘”的嘲笑声，准备看他“失败”的实验。伽利略到了塔顶，向下面人作了手势，叫喊着：“现在请各位注意！”他随即一松手，两只铅球笔直落下。“啪”地一声，两个重量不等的铅球同时落地。

②伽利略用实验方法证明亚里士多德的看法是错误的，还用实验证明了力不是维持物体运动而是改变物体运动状态的原因，并根据斜面实验，提出惯性的概念，总结出了惯性定律，自由落体运动定律，相对性原理，发现了单摆等时性原理，用自制的33倍望远镜发现了一系列天文现象。

③伽利略为了确立新的自然研究法──实验法的地位，又同教会的唯心论世界观进行了激烈的斗争，受到罗马宗教法庭的迫害，罚他每星期背诵七篇忏悔圣诗，无限期地监禁在他自己家中。但强权没有迫使伽利略屈服，他在家中写下了《两种科学的对话》，它用实验方法在物理学上打开了人们的眼界。不幸的是这本书出版时，伽利略已双目失明，永远也看不到它了。

伟大的物理学家爱因斯坦给了伽利略极高的评价，说“伽利略的发现及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端，这个发现告诉我们，根据直接观察所得出的直觉的结论不总是可靠的，因为它们有时会引到错误的线索上去”。这精辟的分析告诉了我们伽利略成功的秘诀和亚里士多德失败的原因。

目的：印发阅读材料给学生，以便于学生能对人类研究自由落体运动的历史和关键任务有一点认识。