高中物理人教版第二章勻變速直線運動的研究5自由落體運動

§自由落體運動★教學(xué)重點、難點：☆教學(xué)重點1．自由落體運動的概念及探究自由落體運動的過程．2．掌握自由落體運動的規(guī)律，并能運用其解決實際問題．☆教學(xué)難點1．理解并運用自由落體運動的條件及規(guī)律解決實際問題．2．照相機曝光時間的估算．[新課教學(xué)]一、自由落體運動在現(xiàn)實生活中，不同物體的落體運動，下落快慢在不少情況下是不同的．從蘋果樹上落下的蘋果和飄下的樹葉能一起同時下落嗎?提出問題：1．重的物體一定下落得快嗎?2．你能否證明自己的觀點?(實驗探究)引導(dǎo)學(xué)生猜想與思考：物體下落過程的運動情況與哪些因素有關(guān)，質(zhì)量大的物體下落的速度比質(zhì)量小的快嗎?(實驗)：取兩枚相同的硬幣和兩張與硬幣表面面積相同的紙片，把其中一張紙片揉成紙團，在下述幾種情況下，都讓它們從同一高度自由下落，觀察下落快慢情況。①從同一高度同時釋放一枚硬幣和一個與硬幣面積相同的紙片，可以看到硬幣比紙片下落得快，說明質(zhì)量大的下落得快．②兩張完全相同的紙片，將其中一張卷緊后從同一高度同時釋放，觀察到卷緊的紙團比紙片下落得快，說明質(zhì)量相同時體積小的下落得快．③將一枚硬幣與已經(jīng)粘貼了紙片的硬幣從同一高度同時釋放．觀察到一樣快，說明體積相同質(zhì)量不同時下落一樣快．④一塊面積較大的硬紙板、一個小軟木塞，分別放到已調(diào)平的托盤天平的兩個盤中，可以看出紙板比軟木塞重，從同一高度同時釋放它們，軟木塞比紙板下落得快．說明在特定的條件下，質(zhì)量小的下落得會比質(zhì)量大的還快．結(jié)論：物體下落過程的運動情況與物體質(zhì)量無關(guān)．(實驗演示)“牛頓管”的實驗注意觀察：先讓學(xué)生觀察羽毛、軟木塞或金屬片在已抽真空的牛頓管中同時下落，它們幾乎同時落到管底．打開進氣閥，讓學(xué)生注意聽到進氣的聲音，看羽毛被氣流吹起的現(xiàn)象，再讓學(xué)生觀察羽毛、軟木塞或金屑在有空氣的牛頓管中同時下落，它們的下落快慢差別很大．結(jié)論：影響落體運動快慢的因素是空氣阻力的作用，沒有空氣阻力時，只在重力作用下輕重不同的物體下落快慢相同．[課堂訓(xùn)練]如圖所示是課題研究小組進行自由落體運動實驗時，用頻閃連續(xù)拍照的方法獲得的兩張照片A和B，任選其中的一張，回答下列幾個問題：(1)我選圖；(2)我從圖中觀察到的現(xiàn)象是：．(3)請對你所觀察到的現(xiàn)象進行解釋．參考解答1：(1)圖A(2)質(zhì)量相等的紙片和紙團同時釋放，紙片比紙團下落得慢．(3)如圖2—4—2，質(zhì)量相等的紙片和紙團，它們的重力相等．由于空氣的阻力對紙片的影、響較大，不能忽略，所以紙片下落加速度較?。绻鸭埰喑杉垐F，空氣阻力對紙團的影響較小，紙團下落加速度較大，所以質(zhì)量相等的紙片和紙團同時放手，紙片比紙團下落得慢．參考解答2：(1)圖B(2)體積相等的鉛球和木球同時釋放，幾乎是同時落地的．(3)如圖，阻力對它們的影響很小，幾乎可以忽略，雖然G鉛大于G木，但是由于m鉛也大于m木，即鉛球的慣性比木球大，所以它們獲得了相同的加速度g．對于同種材料的大、小二球，情況也是如此，它們也有相同的加速度g，所以體積相等的鉛球和木球幾乎是同時落地的．在地球表面附近從高處下落的物體，事實上都受到空氣阻力的作用，因此，嚴格地說，實際生活中并不存在只受重力作用的自由落體運動．但若物體在下落過程中所受空氣阻力遠小于重力，則物體的下落也可看作自由落體運動．例如，對于實心金屬球、石塊等，在它們運動速度不大的情況下，可以忽略空氣阻力的影響，把它們的自由下落看成自由落體運動，若它們從非常高的地方自由下落，當它們的速度增大到一定程度，空氣阻力不能忽略，它們運動的全過程就不能看成自由落體運動．而對于另外一些物體如一團棉花或紙片從空中靜止下落時，與重力相比，空氣阻力的影響太大不能忽略，它們的運動就不能看作自由落體運動處理．[實驗探究]按照教材第45頁的圖2．4—1裝置做實驗，將一系有紙帶的重物從一定的高度自由下落，利用打點計時器記錄重物的下落過程．說明：落體運動物體的位置往往變化得比較快，憑目測難以觀察和記錄，用打點計時器或頻閃照相就可以記錄下運動物體每隔相等時間所在的位置(運動信息)，這樣得到的紙帶(或照片)可以用來對運動過程進行分析．方案一打點計時器研究自由落體運動教材中用打點計時器較好地將重物下落過程記錄下來，這樣做既簡便易行，又拓寬了對基本儀器的應(yīng)用，但實驗的準確度較難把握．因此在實驗中要強調(diào)：①按教材圖示和實驗要求連接好線路，并用手托重物將紙帶拉到最上端；②打點計時器的安裝要使兩限位孔在同一豎直線上，以減少摩擦阻力；③應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減??；④先接通電路再放開紙帶；⑤手捏紙帶松手之前，不要晃動，保證打出的第一個點清晰．⑥重復(fù)上述步驟多次，直到選取只有打出的第一點與第二點之間間隔約為2mm的紙帶才是有效的；(學(xué)生的疑問暫且不要解釋⑦要求學(xué)生保存好記錄了自由落體運動信息的紙帶，為下節(jié)課研究運動規(guī)律作準備．完成實驗后，分析紙帶上記錄的運動信息，請思考下列問題：(1)自由落體運動的軌跡是怎樣的?(2)重物做自由落體運動的過程中，其速度有沒有發(fā)生變化?(3)有的同學(xué)從實驗結(jié)果中得出xCCt2，有的同學(xué)得出工x‘，你的結(jié)論又如何呢?(4)相鄰、相等時間間隔的位移之差有怎樣的關(guān)系?(5)影響實驗精確程度的因素有哪些?參考：分析紙帶可獲取信息：(1)自由落體運動的軌跡是一條直線，速度方向不變；(2)連續(xù)相同時間內(nèi)的位移越來越大，說明速度越來越大，即速度大小改變，具有加速度；(3)位移x與時間t的平方成正比；(4)相鄰、相等時間間隔的位移之差相等；(5)影響實驗精確度的因素主要是阻力．用打點計時器研究自由落體運動，計算其加速度，換用不同質(zhì)量的重物看紙帶上點子間隔有什么不同，總結(jié)得出結(jié)論．結(jié)論：將兩條紙帶對比，只要兩條紙帶上的點子間隔相同就說明它們的加速度是相同的．學(xué)生運用自己所學(xué)知識計算重力加速度，通過比較得出結(jié)論．實驗探究結(jié)果：自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，加速度大約是9.8m／s2．方案二：利用光電計時器研究自由落體運動方案三：利用頻閃攝影研究自由落體運動二、自由落體加速度通過算g值理解自由落體運動的加速度是一個定值(在同一地點)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)規(guī)律．引導(dǎo)學(xué)生思考兩個問題：1．自由落體運動的加速度在各個地方相同嗎?2．它的方向如何?※使用不同的物體進行的反復(fù)實驗表明，在同一地點，一切物體自由下落的加速度都相同，方向總是豎直向下的，※這個加速度叫做自由落體加速度，也叫重力加速度．符號：g；方向：豎直向下(與重力方向一致)；大?。号c地點有關(guān)．一般計算中g(shù)＝9．8m／s2，粗略計算中可以取g＝10m／s讓學(xué)生看教材第46頁列表，嘗試從表中尋找規(guī)律，這一規(guī)律是怎樣產(chǎn)生的?學(xué)生猜想，但不宜過多解釋．※越往北重力加速度越大，說明重力加速度與地理緯度有關(guān)，緯度越高，重力加速度越大．※自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，所以勻變速直線運動的基本公式及其推論都適用于自由落體運動，只要這些公式中的初速度v0＝0，a取g就可以了．自由落體運動遵從的規(guī)律:v=vo+at推出：v＝gtx＝vot+at2/2推出：x＝gt2/2．[課堂訓(xùn)練]一位同學(xué)進行“用打點計時器測量自由落體的加速度”實驗．(1)現(xiàn)有下列器材可供選擇：鐵架臺、電火花計時器及碳粉紙、電磁打點計時器及復(fù)寫紙、紙帶若干、220V交流電源、低壓直流電源、天平、秒表、導(dǎo)線、電鍵．其中不必要的器材是：()；缺少的器材是()。(2)這位同學(xué)從打出的幾條紙帶中，挑出較為理想的一條紙帶．把開始打的第一個點標為A，隨后連續(xù)的幾個點依次標記為點B、C、D、E和F，測量出各點間的距離，如圖所示．請你在這位同學(xué)工作的基礎(chǔ)上，思考求紙帶加速度的方法，寫出你所依據(jù)的公式：(3)根據(jù)你的計算公式，設(shè)計表格記錄需要的數(shù)據(jù)，計算紙帶下落的加速度．(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(4)估計你的計算結(jié)果的誤差有多大?試分析誤差的來源及其減小誤差的方法．參考解答：(1)要根據(jù)各校具體使用的儀器作答，例如：其中不必要的器材是：電火花打點計時器及碳粉紙、220V交流電源、低壓直流電源、天平、秒表；缺少的器材是：低壓交流電源、毫米刻度尺、重錘．(2)依據(jù)的公式：a＝△x/T2．(3)數(shù)據(jù)處理方法不限，要體現(xiàn)取平均值消除誤差的思想，表格記錄的數(shù)據(jù)要與所使用的公式匹配．(4)實驗結(jié)果紙帶的加速度9．63m／s2與重力加速度的標準值9．8m／s2有偏差，誤差大小為△a＝｜—｜m／s2＝0．17m／[做一做]1．閱讀教材第46頁“測定反應(yīng)時間”，回答下列問題：問題1：若測出某同學(xué)捏住直尺時，直尺下落的高度為10cm，那么這位同學(xué)的反應(yīng)時間是多少參考：根據(jù)自由落體運動規(guī)律h＝gt2/2可得反應(yīng)時間t＝0．14s．問題2：在上課時，教師用這種方法測量同學(xué)們的反應(yīng)時間，但同學(xué)剛把尺子捏住，教師馬上就說出該同學(xué)的反應(yīng)時間，也沒見他怎樣計算，你知道老師是怎樣做的嗎?參考：教師事先算好時間并寫在直尺上，這樣就可以直接給出學(xué)生的反應(yīng)時間．2．教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材第47頁“做一做”讓學(xué)生提出自己解決問題的思路，不必準確解答，同時強調(diào)“估算”．學(xué)生獨立思考，并提出解決辦法，比較各種不同方法，并討論其合理性及可行性．師：由于照相機的曝光時間極短，一般為1／30s或1／60s，曝光量相差10％對照片不會有明顯影響，所以相機快門的速度都有比較大的誤差，“傻瓜”相機更是這樣．故在這樣短的時間內(nèi)，這種誤差允許的范圍內(nèi)，物體運動的速度可以認為是不變的，可以看作勻速運動來處理．建議學(xué)生利用課下時間解出其準確值，比較兩種情況下的時間差異．[本節(jié)小結(jié)]:這節(jié)課我們學(xué)習(xí)了對自由落體運動概念和規(guī)律的認識及理解．自由落體運動是物體從靜止開始的只受重力作用的勻加速直線運動，加速度為g，學(xué)好本節(jié)可更好地認識勻變速直線運動的規(guī)律和特點，是對上節(jié)內(nèi)容的有益補充．要突破此重點內(nèi)容，一定要把握住一點，即自由落體運動只是勻變速直線運動的一個特例vo＝o，a＝g．我們在以前章節(jié)中所掌握的所有勻變速直線運動的規(guī)律及推論，在自由落體運動中均可使用．在使用時要注意自由落體運動的特點，判斷是自由落體運動之后方可代人計算．自由落體運動是一種非常重要的運動形式，在現(xiàn)實生活中有許多落體運動可以看成是自由落體運動，研究自由落體運動有著普遍的意義．為了研究自由落體運動，我們運用了物理學(xué)中的理想化方法，從最簡單、最基本的情況人手，抓住影響運動的主要因素，去掉次要的非本質(zhì)因素的干擾，建立了理想化的物理模型——自由落體運動，并且研究了自由落體的運動規(guī)律，理想化是研究物理問題常用的方法之一，在后面的學(xué)習(xí)中我們還要用到．[課堂訓(xùn)練]1．大氣層是我們地球生命賴以生存的屏障，每天都有很多小隕石落人地球大氣層中，但當它們進入大氣層后，由于空氣的摩擦生熱，絕大部分小隕石還沒有到達地面便已經(jīng)被燒毀．現(xiàn)在人類向天空發(fā)射的飛行器、衛(wèi)星等當超過一定使用年限后，也讓它們進入大氣層燒毀，那么小隕石等進人大氣層后的運動是自由落體運動嗎?2．甲、乙兩物體的質(zhì)量之比為1：4，不考慮空氣的阻力作用，它們在同一高度處同時下落，則下面說法正確的是………………()A.甲比乙先著地B．乙比甲先著地C．甲和乙同時落地D．甲比乙的加速度大3．如果從高樓相隔ls先后釋放兩個相同材料制成的小球，假設(shè)小球做自由落體運動，則它們在空中各個時刻………()A.兩球的距離始終保持不變B．兩球的距離越來越小C．兩球的距離先越來越小，后越來越大D．兩球的距離越來越大4．我們在電影或電視中經(jīng)?？煽吹竭@樣的驚險場面：一輛汽車從山頂直跌入山谷，為了拍攝重力為15000N的汽車從山崖上墜落的情景，電影導(dǎo)演通常用一輛模型汽車代替實際汽車．設(shè)模型汽車與實際汽車的大小比例為1/25，那么山崖也必須用1/25的比例來代替真實的山崖．設(shè)電影每1min放映的膠片張數(shù)是一定的．為了能把模型汽車墜落的情景放映的恰似拍攝實景一樣，以達到以假亂真的視覺效果，問：在實際拍攝的過程中，電影攝影機第1s拍攝的膠片數(shù)應(yīng)是實景拍攝的幾倍?參考解答1．解答：因為自由落體運動的條件之一是只受重力作用，而小隕石進入大氣層后的運動速度很大，受空氣阻力很大，故不能看作自由落體運動·2．答案：C解析：物體自由下落過程中的運動情況與物體的質(zhì)量無關(guān)，加速度相同，故甲、乙兩物體同時開始下落，也同時著地，故C正確．3.答案：D解析：因物體做自由落體運動，兩物體具有相同的加速度，先釋放的小球的速度總是比后釋放的小球的速度大，故兩球的距離越來越大．4．答案：5倍解析：可將汽車墜落山崖的