自由落體運動 教案- 高一上學期物理人教版(2019)必修第一冊

課題自由落體運動學科物理年級高一時長1課時教學背景分析1、伽利略對自由落體運動的研究方法在物理學知識體系中的地位落體運動的研究是物理學產生和發(fā)展的源頭。伽利略倡導的科學思想方法的核心是把實驗和邏輯推理（包括數(shù)學推演）和諧地結合起來，從而有力地推進了人類科學認識的發(fā)展。這種研究方法是他在科學上取得偉大成就的源泉，也是他對近代科學的最重要貢獻。2、《高中物理課程標準》對本課的要求1.1.4通過實驗，認識自由落體運動規(guī)律。結合物理學史的相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用。了解伽利略的實驗研究工作，認識伽利略有關實驗的科學思想和方法。查閱資料，了解亞里士多德關于力與運動的主要觀點和研究方法。查閱資料，了解伽利略研究由由落體運動的實驗和推理方法。活動建議（1）觀察質量相同、大小和形狀不同的物體在空氣中下落的現(xiàn)象，了解空氣阻力對落體運動的影響。（2）查閱資料，了解并討論伽利略關于物體運動的實驗研究對科學發(fā)展和人類進步的重大意義。3、教學內容分析本節(jié)內容編排在人教版高一物理第二章第《勻變速直線運動》的第4節(jié)。是在學生學習過位移、速度、加速度、勻變速直線運動等概念，以及通過打點計時器研究這些物理量和運動之后，通過回顧伽利略當初的研究過程，帶領學生初步領略研究物理問題的基本思路（觀察、提出問題、邏輯推理與實驗相結合進行檢驗、結論），以及物理學中常用的科學思想（抓住主要矛盾忽略次要因素、自然界具有簡潔美等）。本課是重在培養(yǎng)學生思維的研究課，不可當做本章的復習課或者應用課。本節(jié)通過邏輯推理、實驗演示與實驗探究，分析得出自由落體運動的規(guī)律。教學內容是以“伽利略對自由落體運動的探究”為載體的一個完整的科學思維培養(yǎng)課，包含了“觀察與分析、初步結論、問題與猜想、邏輯分析、實驗驗證、邏輯推理、初步結論、現(xiàn)代實驗”這些完整的科學探究步驟。用探究學習方式培養(yǎng)學生探索事物本質的思維方式，研究方法及創(chuàng)新能力，最終使學生獲得“像科學家那樣去探索，去發(fā)現(xiàn)事物本質”的能力。為了讓學生更好地經歷探究的過程，教師補充大量閱讀資料，教師引導學生通過閱讀，使學生在探究式學習的過程中體驗方法、學習方法，重走伽利略的發(fā)現(xiàn)之路。自由落體運動設計為2個課時，本節(jié)內容是第1課時，主要讓學生經歷自由落體運動的科學探究過程，下一課時在探究的基礎上展開對自由落體運動加速度的測量及其規(guī)律應用的教學。本節(jié)內容的涉及的閱讀材料較多，需要老師精選挑選和準備。4、學情分析（1）認知層面高一新生對高中對物理知識的深入學習準備不足，如果不能及時將形象思維向抽象思維過渡，仍用一種經驗型的思維學習，將陷入學習困境。本節(jié)課涉及知識較多，涉及到物理核心素養(yǎng)中物理觀念、科學思維、科學探究和科學的態(tài)度與責任。（2）知識技能層面通過之前的學習，學生已經有位置、位移、速度、加速度、勻變速直線運動的基本概念。也經歷過了用打點計時器探究運動的基本過程。因此學生具備了本節(jié)課所需的基礎知識和基本技能。針對本班學生情況及本次課堂的教學目的，在本節(jié)課上，將科學探究過程的重點放在了學生“閱讀歸納”、“提煉思想方法”這兩個環(huán)節(jié)上。這不僅有利于在有限的課堂時間內完成科學探究任務，而且能使所側重的探究過程更加深入、具體，這有利于提高學生的科學探究能力。教學重點和難點（1）教學重點：1.通過閱讀及歸納，總結出物理學研究問題的一般方法。2.通過對自由落體運動的研究，了解常用的物理思想方法。（2）教學難點：1.伽利略通過數(shù)學分析建立勻變速運動的速度-時間圖像及相關概念。2.伽利略實驗中的困難及對應解決方案。教學資源多媒體設備、實驗展臺、PPT、學生閱讀材料、視頻教師演示器材：羽毛、紙片、粉筆頭、錢羽管（2個）教學目標1.通過分析影響落體的主要因素，讓學生掌握什么是自由落體運動。通過分析生活中的落體運動，讓學生掌握抓住事物的主要矛盾，從簡單問題開始研究的方法。2.通過伽利略對亞里士多德的質疑，以及斜面實驗結論的外推，了解邏輯的力量。3.通過伽利略對落體阻力的研究，讓學生了解自由落體運動是理想化運動模型。4.通過了解伽利略對自由落體運動的研究，讓學生自己總結物理學的一般研究方法，使學生獲得“像科學家那樣去探索，去發(fā)現(xiàn)事物本質”的體驗，領悟科學精神、物理思想。教學設計流程自由自由落體運動伽利略的研究邏輯力量，戰(zhàn)勝權威觀察分析，初步結論數(shù)學分析，建立概念提出問題，科學猜想間接實驗，勇敢外推觀察我們的研究分析猜測問題驗證錢羽管實驗月球上的落體NASA真空落體現(xiàn)代實驗教學活動設計教學環(huán)節(jié)教師活動學生活動活動意圖一、創(chuàng)設情境，引入新課5min提問：請同學們列舉生活中物體下落的現(xiàn)象。演示：紙片、羽毛、小石頭（注意空氣不要流動，不開門窗空調）→揉成團、搓成球提問：根據(jù)改變運動狀態(tài)的因素不同，將這些現(xiàn)象分成兩類提問：物體下落的主因是什么？影響下落的因素？小結并提出問題：阻力較大情況下，物體的下落各不相同，較為復雜。阻力較小的，如果阻力比重力小很多，阻力可以忽略,物體就是只在重力作用下的運動。不同物體只在重力作用下的下落會相同嗎？猜想依據(jù)？舉例：樹葉、羽毛、雪花、飛船回歸、雨滴、鳥糞、蘋果、雞蛋、小石頭……觀察（阻力明顯的、阻力較小的——自由的）重力；環(huán)境阻力。①經驗，感覺；②質量不同的物體，重力大小不同，但重力都是由地球吸引而產生的。本環(huán)節(jié)為我們對落體運動的的定性探究。通過生活實例及觀察演示實驗，創(chuàng)設情境，提出問題，使學生的大腦思維處于興奮狀態(tài)，明確學習目標，進入新課學習。二、伽利略對自由落體運動的研究25min1．用邏輯戰(zhàn)勝權威教師給出閱讀材料1問題1：如何客觀評價亞里士多德？時代局限性體現(xiàn)在哪幾個方面？教師給出閱讀材料2問題2：（1）亞里士多德對物體下落快慢持何種論斷？分析他的快慢是指什么？請你用自己的語言駁斥亞里士多德的論斷并得出你的觀點。伽利略提出，如果把一輕物和一重物綁在一起釋放會怎么樣……從同一個前提，竟推出了兩種相反的結論，可見亞里士多得的前提，也就是“輕物應該比重物下落得慢”是錯的！結論：輕重物體下落一樣快。（2）伽利略的開創(chuàng)的研究方法是什么？對落體運動得到的結論是什么？邏輯推理一定要與事實結合：2．觀察分析得到初步結論教師給出閱讀材料3問題3：請你設計阻力對落體運動影響的實驗及理想實驗方案。3．提出新問題，做出科學猜想教師給出閱讀材料4問題4：（1）提出問題？（2）科學猜想：他猜想落體也一定是一種最簡單的變速運動，提出科學猜想——？4．數(shù)學分析，建立運動相關概念教師給出閱讀材料5問題5：伽利略的圖形與我們現(xiàn)在的速度-時間圖像是什么關系？圖像中怎樣體現(xiàn)瞬時速度、平均速度、勻變速直線運動？如何在此基礎上建立加速度的概念？5．間接性實驗，有邏輯的勇敢外推教師給出閱讀材料6問題6：簡述伽利略探究自由落體運動性質過程中遇到的主要困難及解決方法。最后將傾角勇敢外推至90°，得到自由落體運動是勻加速直線運動?？偨Y伽利略的研究方法學生閱讀、回答：“集大成者”。權威束縛了人們的思想；沒有建立認識世界的正確方法；被教會利用。重的物體下落快，同樣高度重的物體先落地，落地時間短（他的時代沒有速度、加速度概念）邏輯推理與實驗相結合的方法；如果沒有空氣阻力，所有物體下落的快慢都一樣，即同樣高度，落地時間相同。沒有空氣阻力只能在真空發(fā)生，在有空氣的空間，只要空氣阻力作用比較小，起到次要因素就可以忽略。學生匯報（1）“自由”落體運動是什么樣的運動？（2）自由落體的速度應該是均勻變化的。圖2加上坐標系就是v-t圖像。該圖形直觀給出瞬時速度、平均速度概念，定義出勻加速運動，從而自然地抽象出速度變化率：加速度。困難1：要驗證從v∝t，無法直接測量某一時刻的v，轉化法：測量驗證x∝t2；困難2：只能用水滴計時，設計了斜面實驗：傾角一定時小球做勻加速直線運動。困難3：斜面上的運動不是自由落體，大膽外推。使學生全面了解亞里士多德的成就，客觀評價亞里士多德的學術地位。伽利略的偉大在于拒絕聽信任何未經實驗的科學思想，哪怕來自教會或權威。研究方法的差別導致了二人研究結論的差距。伽利略在比薩斜塔扔大小球的傳說是假的，人們仍愿意把比薩斜塔當做伽利略紀念碑一樣去膜拜參觀。（尋找規(guī)律）伽利略相信，自然界的規(guī)律是簡潔明了的。數(shù)形結合轉化法放大法思想實驗三、現(xiàn)代實驗的驗證12min1．錢羽管實驗有條件可以現(xiàn)場逐漸抽氣，對比阻力變小，落體快慢（為節(jié)約時間也可以兩個管，一個真空一個有部分空氣）。2．教師播放視頻，給出閱讀材料7閱讀問題7：伽利略倡導的科學思想方法的核心是什么？3．教師播放視頻，給出閱讀材料8學生觀察體會科學研究過程和方法的一般性。把實驗和邏輯推理（包括數(shù)學推演）和諧地結合起來。過濾阻力影響，抓落體的本質。落實科學態(tài)度與責任四、課堂小結3min請同學總結本節(jié)課學習到了哪些物理思想方法。通過本節(jié)學習，我們知道了自由落體運動是一種初速度為0的勻變速直線運動，請你根據(jù)所學知識設計一種測定自由落體運動加速度的實驗方案，回顧本節(jié)課學習內容為下一節(jié)課做好鋪墊總結提升板書設計2.42.4自由落體運動一、落體現(xiàn)象的分析1.影響因素：重力、阻力2.問題：只受重力運動？3.猜想：相同，根據(jù)：？二、伽利略的研究1.邏輯戰(zhàn)勝權威2.觀察分析、初步結論3.問題與猜想4.數(shù)學分析，建立概念5.實驗與邏輯結合三、現(xiàn)代實驗驗證1.錢羽管2.月球落體3.nasa實驗室四、思想方法1.抓住主要因素2.邏輯分析、數(shù)學推理3.實驗、理想實驗閱讀材料見下頁：

2.4自由落體運動班級：______________姓名：______________【閱讀材料】1．認識亞里士多德亞里士多德（Aristotle公元前384～前322），古代先哲，古希臘人，世界古代史上偉大的哲學家、科學家和教育家之一，堪稱希臘哲學的集大成者。他是柏拉圖的學生，亞歷山大的老師。公元前335年，他在雅典辦了一所叫呂克昂的學校，被稱為逍遙學派。馬克思曾稱亞里士多德是古希臘哲學家中最博學的人物，恩格斯稱他是“古代的黑格爾”。作為一位百科全書式的科學家，他幾乎對每個學科都做出了貢獻。他的寫作涉及倫理學、形而上學、心理學、經濟學、神學、政治學、修辭學、自然科學、教育學、詩歌、風俗，以及雅典法律。亞里士多德的著作構建了西方哲學的第一個廣泛系統(tǒng)，包含道德、美學、邏輯和科學、政治和玄學。他的全部作品有47部留存下來。在古希臘的眾多學者中，他是最認真、最系統(tǒng)地研究運動、空間和時間問題的人。這些工作體現(xiàn)在他的《物理學》一書中，這是世界上最早的物理學著作。英語中的物理學一詞“physics”就源于此書。由于歷史的局限性，他的有些認識是錯誤的。亞里士多德因其在多個學術領域的成就和影響，被人們看成是不可動搖的權威，這在相當程度上束縛了人們的思想。再者，他對運動的看法比較符合人們的日常直覺，當時的人們還沒有掌握認識世界的正確方法，所以在此后2000多年的漫長歲月中，人們一直把他的理論當作金科玉律。最后，教會利用他的學說來捍衛(wèi)基督教的世界觀和價值觀，從而維護教會權威和統(tǒng)治。主要是他在天文學，哲學，物理學上的主張。亞公認為，地球是宇宙的中心，所有天體都圍著地球轉。圣經里說大地靜止不動，太陽和月亮繞著靜止不動的大地起落。他在哲學邏輯學上的像三段論之類的方法也被應用于神學的論證，用來修補神學日益凸顯的問題。 如何客觀評價亞里士多德？其時代局限性體現(xiàn)在哪幾個方面？ 2．自由落體運動物體下落的運動是司空見慣的，但人類對它的認識卻經歷了差不多兩千年的時間。最早研究這個問題的，大概要算古希臘學者亞里士多德了。平常人們觀察到的事實是，一塊石頭比一片樹葉落得快些……亞里士多德認為釋放后任何物體都將很快達到某個下落的最后速率，這個速率隨物體的重量增大而增大，隨媒介阻力增大而減小。他的結論是在同種媒介中，重的物體下落得快。他的這一論斷符合人們的常識，以至于其后兩千年的時間里，大家都奉為經典。1632年出版的《關于兩門新科學的對話》第58頁，記錄了伽利略的思想實驗：假定一塊大石頭的下落速度為8，一塊小石頭的下落速度為4，當把兩塊石頭捆在一起時，大石頭會被小石頭拖著而變慢，整個物體的下落速度應該小于8；但是，把兩塊石頭捆在一起后，整個物體比大石頭要重，因此整個物體下落的速度應該比8還要大。這種相互矛盾的結論，說明亞里士多德“重的物體下落得快”的看法是錯誤的。根據(jù)仔細的分析，伽利略認為物體下落的運動只有一種可能性：重的物體與輕的物體應該下落得同樣快。因宣傳哥白尼的地動說，1616年宗教裁判所譴責伽利略并要求他保持沉默，這次他受到第二次審判，這位70歲的老人遭受了侮辱、監(jiān)禁、威脅，他被迫當眾跪著表示“公開放棄、詛咒和痛恨地動說的錯誤和異端”，他被隔離監(jiān)禁，直到他失明且病得十分瘦弱以后，才被準許有稍多一點自由。伽利略是最早教導人們不能把《圣經》當做科學教科書的人之一，他教導這樣一種真理，即世界只能慢慢地去認識。（1）亞里士多德對物體下落快慢持何種論斷？分析他的快慢是指什么？請你用自己的語言駁斥亞里士多德的論斷并得出你的觀點。（2）伽利略的開創(chuàng)的研究方法是什么？對落體運動得到的結論是什么？3．關于阻力的實驗探究伽利略對落體現(xiàn)象進行細致觀察、分析，指出亞里士多德的錯誤源于對空氣阻力認識不足。關于介質阻力，伽利略還進行過一個理想實驗，有如下材料：金（18.8g/cm3）、鉛（11.3g/cm3）、鐵（7.87g/cm3）、木四個體積相同的球，水銀（13.5g/cm3）介質、水（1g/cm3）、空氣（密度很?。?。請你設計阻力對落體運動影響的實驗及思想實驗方案。4．伽利略對自由落體運動的研究利用邏輯推理說明了重物與輕物下落得同樣快后，伽利略并沒有就此止步，而是進一步通過實驗研究了自由落體運動的規(guī)律。伽利略首先面臨的困難是概念上的。因為那時人們連速度的明確定義都沒有，所以，對伽利略來說，必須首先建立描述運動所需的概念。此前我們所學的概念，諸如平均速度、瞬時速度以及加速度等，就是伽利略首先建立起來的。伽利略相信，自然界的規(guī)律是簡潔明了的。他從這個信念出發(fā)，猜想落體一定是一種最簡單的變速運動，而最簡單的變速運動，它的速度應該是均勻變化的。但是，速度的變化怎樣才算“均勻”呢？他考慮了兩種可能：一種是速度的變化對時間來說是均勻的，即v與t成正比，例如每過1s，速度的變化量都是2m/s；另一種是速度的變化對位移來說是均勻的，即v與x成正比，例如每下落1m，速度的變化量都是2m/s。果真如此的話，則物體通過兩段距離所用的時間將和通過第一段距離所用時間一樣。也就是說，通過第二段距離不必花時間，這顯然是荒謬的（盡管這段推理存在一定的邏輯缺陷，這其中包含了一定程度的直覺，但終究認識到第二種模型不適合于自由落體運動）。（1）提出什么問題？（2）科學猜想：他猜想落體也一定是一種最簡單的變速運動，提出科學猜想——？5．伽利略通過數(shù)學分析，建立“自然加速運動”相關概念（《關于兩門新科學的對話》第159-171頁）勻速直線運動不需要解釋，用位移隨時間的變化率表示速度也容易理解。非勻速直線運動怎樣描述？速度是均勻變化的！速度的怎樣變化才算“均勻”變化呢？伽利略在《兩門新科學的對話》中有這樣的討論：若自由落體運動的速度是隨時間均勻變化，加速物體在下落第一段時間后已得到某一速度，于是在落下時間加倍時，速度也應加倍。用幾何直觀描述最簡單的變速運動、建立概念，如圖1：假設一個物體以勻加速直線運動從靜止狀態(tài)下落到某點，用線段AB表示下落的時間t，用線段AC到AB上的橫線來表示任意時刻的速度，這就是瞬時速度概念的幾何直觀表達——與下落時間成正比。線段BC表示B時刻物體下落的瞬時速度，D為BC的中點，線段DB就能表示物體下落的平均速度，長方形ABDE是平均速度與時間的乘積，當然可以表示下落的位移。根據(jù)幾何知識，三角形ABC的面積也能表示下落的位移。伽利略探究自由落體運動是科學建模的過程。在沒有微積分數(shù)學工具的情況下，創(chuàng)建瞬時速度和加速度的概念。從平均速度到瞬時速度的概念轉化，滲透著微分的思想。由各個時刻瞬時速度計算位移大小的方法滲透著積分的思想（通過圖6-21回憶一下§2.3中，我們是如何證明“面積”表示位移的）。ACACBDEF圖1ACBDEF圖2伽利略的圖形與我們現(xiàn)在的速度-時間圖像是什么關系？圖像中怎樣體現(xiàn)瞬時速度、平均速度、勻變速直線運動？如何在此基礎上建立加速度的概念？6．間接性實驗，有邏輯的勇敢外推伽利略想辦法用實驗來檢驗v與t成正比的猜想是否是真實的。伽利略所處的時代技術不夠發(fā)達，無法直接測定瞬時速度，所以也就不能直接得到速度的變化規(guī)律。但是，伽利略通過數(shù)學運算得出結論：如果物體的初速度為0，而且速度隨時間的變化是均勻的，即v∝t，它通過的位移就與所用時間的二次方成正比，即x∝t2。這樣，只要測出物體通過不同位移所用的時間，就可以檢驗這個物體的速度是否隨時間均勻變化。但是，落體下落得很快，而當時只能靠滴水計時，這樣的計時工具還是不能測量自由落體運動所用的時間。伽利略采用了一個巧妙的方法，用來“沖淡”重力。他讓銅球沿阻力很小的斜面滾下（圖2.4-5），而小球在斜面上運動的加速度要比它豎直下落的加速度小得多，所用時間長得多，所以容易測量。伽利略做了上百次實驗，結果表明，小球沿斜面滾下的運動的確是勻加速直線運動，換用不同質量的小球，從不同高度開始滾動，只要斜面的傾角一定，小球的加速度都是相同的。伽利略將上述結果做了合理的外推：當斜面傾角很大時，小球的運動不是跟落體運動差不多了嗎？如果斜面的傾角增大到90°，這時小球的運動不就是自由落體運動了嗎？（圖2.4-6）伽利略認為，這時小球仍然會保持勻加速運動的性質，而且所有物體下落時的加速度都是一樣的！伽利略的邏輯和實驗自然使人欽佩，但是人們又疑惑地問道：為什么日常生活中常會見到，較重的物體下落得比較快呢？伽利略把原因歸之于空氣阻力對不同物體的影響不同。他寫道：“如果完全排除空氣的阻力，那么，所有物體將下落得同樣快。”這時，落體運動也就真正成為自由落體運動了。為此，伽利略特別指出，在科學研究中，懂得忽略什么，有時與懂得重視什么同等重要。伽利略對運動的研究，不僅確立了許多用于描述運動的基本概念，而且創(chuàng)造了一套對近代科學的發(fā)展極為有益的科學方法。這些方法的核心是把實驗和邏輯推理（包括數(shù)學演算）和諧地結合起來，從而發(fā)展了人類的科學思維方式和科學研究方法。 簡述伽利略探究自由落體運動性質過程中遇到的主要困難及解決方法。7．偉大的月球落體運動實驗 1971年阿波羅15號登月,宇航員