廣東省惠州市惠陽高級中學實驗學校物理《探究自由落體運動》實驗探究

第8頁?探究自由落體運動?——實驗探究教學設計廣東惠陽高級中學高中部許開慧【教材分析】現(xiàn)代學習理論認為學生進入課堂學習之前對世界和事物有先入為主的認識，教師的教學要引導學生闡發(fā)他們已有的理解，激起新舊知識的矛盾，進行有針對性的教學。?自由落體運動?是高中物理新課程(粵教版必修1)第二章第一節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容是在學生學習了運動學的知識后編排的，是勻變速直線運動的特例。自由落體運動是自然界中廣泛存在的自由下落運動的理想化模型，是一種典型的勻變速直線運動。為了全面完成各項教學目標，本節(jié)教學設計以實驗探究為主線，充分展現(xiàn)隱含在本節(jié)內(nèi)容中的科學探究方法和科學思維方式。因此本節(jié)課是培養(yǎng)學生思維的研究課，聯(lián)系生活的應用課，也是后面課程的知識準備的墊底課。所以本節(jié)課在本章中具有重要的地位和作用。本節(jié)教學重點和難點在于如何引導學生進行科學探究，如何使學生在科學探究中掌握科學研究的方法，培養(yǎng)科學研究的能力。本節(jié)課學生自主實驗探究的活動較多，故采用學生分組實驗模式進行課堂活動，以小組為單位進行教師引導下的科學探究，加強小組同學間的討論與交流，師生間的相互反響，培養(yǎng)學生合作學習的精神。課堂以問題和小組交流貫穿教學的始終，不斷提出新問題，不斷解決新問題，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力?！緦W情分析】

1.學生的知識根底：學生已經(jīng)學習了位移、加速度、時間等描述運動的知識；

2.學生的認識特點：學生在生活中對于樹葉飄落、雨滴下落等落體運動司空見慣，但不知道落體運動的快慢和位移的規(guī)律?！窘虒W目標】1．知識與技能〔1〕認識自由落體運動，知道影響物體下落快慢的因素，理解自由落體運動是理想條件下的運動?！?〕能用打點計時器或其他實驗儀器得到相關(guān)的運動軌跡并能主動分析紙帶上記錄位移與時間等運動信息?！?〕初步了解探索自然規(guī)律的科學方法，培養(yǎng)學生觀察、概括能力。2．過程與方法通過對落體運動的實驗探究，培養(yǎng)學生將形象思維轉(zhuǎn)化為抽象思維的能力，培養(yǎng)學生概括物理概念、歸納物理規(guī)律的能力。3．情感態(tài)度和價值觀〔1〕通過演示實驗和學生分組實驗，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，激發(fā)學生認識自然、主動探究科學的熱情，并使學生學會交流與合作。〔2〕調(diào)動學生積極參與討論的興趣，培養(yǎng)邏輯思維能力以及表達能力?！?〕滲透物理方法的教育，在研究物理規(guī)律的過程中抽象出一種物理模型——自由落體?！窘虒W重點】

探究自由落體運動的過程及自由落體運動的概念?！窘虒W難點】

物體下落快慢與物體質(zhì)量無關(guān)?！窘虒W方法】

探究法、討論法、講授法【教學過程】引入新課：生活中，經(jīng)常會說誰誰反響快，那么怎樣比擬同學們的反響誰更快呢？進入游戲：測“反響時間〞。課前設計制作好“測反響時間尺〞，在一約50cm長的尺的一面標記上自由下落對應長度所用的時間，以一面朝向?qū)W生。引出問題：“一般刻度尺是用來測量什么的？〞學生習慣性答復：測長度。老師手中的這把尺很神奇，它不僅能測量長度，還能測出同學們的大腦反響時間。采用“比比誰的反響時間短〞的方式調(diào)動學生積極性。選3～4名學生上來玩“測反響時間〞的游戲?！矊嶋H教學效果說明學生對這一活動非常感興趣，踴躍參與〕設計說明：在此將教材中的“做一做〞欄目中的“測定反響時間〞改為放在課前引入，目的是通過這一游戲產(chǎn)生“驚奇〞效果，激發(fā)學生探究的興趣，增強學生的感性認識，激發(fā)學習物理的興趣，活潑課堂氣氛。教師設疑：同學們一定想知道這把尺為什么能測出你的反響時間。它的“奧秘〞與我們今天要認識和研究的一種運動密切相關(guān)。錄像演示：石頭從空中落下；重力使屋檐下的雨滴下落；樹葉從樹上豎直飄落等。觀察并指出以上物理情景中物體相似的運動特點？

教師在學生表述的根底上總結(jié)：畫面中的物體都是從高處落到地處，這類下落的運動稱為落體運動，這節(jié)課我們一起來研究落體運動是否具有一定的規(guī)律。

設計說明：從生活中構(gòu)建物理情景或模型，以培養(yǎng)學生在生活中聯(lián)系物理知識的好習慣。一．關(guān)于落體運動的思考1．提出問題：落體運動的快慢與什么因素有關(guān)？提示學生從生活中常見的落體運動舉例。以經(jīng)驗來看輕的物體和重的物體哪個下落得快？直接經(jīng)驗：重得物體下落快──也是歷史上亞里士多德認可的觀點〔簡介亞里士多德〕。學生小組內(nèi)相互交流對落體運動快慢的經(jīng)驗感受。

設計說明：此環(huán)節(jié)將對落體運動的研究落實在其運動的快慢上，直接問“輕的物體和重的物體哪個下落得快〞是為了更易進入主題。

2．引導學生從亞里士多德的觀點進行邏輯推理，得出矛盾。相互矛盾的結(jié)論既是對學生頭腦中錯誤概念的震撼，也是激發(fā)學生進一步學習的手段，學生進行邏輯推理，可相互討論，然后小組代表舉手發(fā)言。邏輯推理為后面的研究指明了方向，使學生明確下一步要解決的問題。

3．組織學生進行實驗探究

學生準備材料：硬幣、紙片。課前要求學生準備材料時并沒有告知學生具體用途，學生對此充滿好奇，這也從一個側(cè)面調(diào)動了學生的學習興趣。教師引導學生設計實驗：分別用一枚硬幣〔一元的效果不錯〕、兩枚和硬幣大小面積相同的硬紙片、一枚粘有硬紙片的硬幣、一粒小塑料球，一團棉花〔質(zhì)量要比小塑料球的大〕來比擬輕重不同或相同的物體下落快慢。一枚硬幣與一枚與硬幣面積相同的紙片等高同時下落，比擬下落快慢②一枚硬幣與一枚粘有面積相同紙片的硬幣等高同時下落，比擬下落快慢。③將一枚硬紙片團成團，與另一枚大小面積相同的硬紙片等高同時下落，比擬下落快慢。④一粒小塑料球與一大團棉花等高同時下落，比擬下落快慢。考慮到如果能有與直覺經(jīng)驗完全相反的現(xiàn)象出現(xiàn)，學生的認識會更明確，故增加了“一粒小塑料球與一大團棉花下落快慢比擬〞的實驗設計，表達“輕的物體可以比重的物體下落快〞。

設計說明：學生實驗過程中教師在各個小組間巡視，收集學生實驗過程中會出現(xiàn)的問題，引導學生在實驗操作時如何創(chuàng)設實驗條件〔如怎樣保證等高同時釋放等〕；啟發(fā)學生注意總結(jié)實驗現(xiàn)象中兩物體下落快慢與物體輕重進行關(guān)聯(lián)比擬。

學生進行實驗與探究：小組成員分工進行實驗操作、觀察記錄，在實驗現(xiàn)象的根底上進行分析、討論，得出本小組的結(jié)論。

分析小節(jié)：①選小組代表描述所觀察的實驗情景及小組的討論。②在學生探究的根底上教師講解，引導學生明確，實驗結(jié)果顯示出物體下落快慢與其質(zhì)量沒有必然聯(lián)系。設計說明：教學的重心應放在精心準備的語言講解上，歸納、認識、分析、發(fā)現(xiàn)。作出科學猜測，然后驗證猜測，對學生進行科學方法教育，強化學生對自行探究問題的過程與方法的理解。此處由學生做結(jié)論是可以的，但學生的結(jié)論不應是最后結(jié)論，最后結(jié)論應是教師給出的，以加深學生的認識。二．探究影響物體下落快慢的因素引問：既然物體下落快慢與其質(zhì)量沒有必然聯(lián)系，實際生活中物體下落快慢不同可能是受什么因素的影響。學生從實驗現(xiàn)象和生活經(jīng)驗可以猜測到是空氣阻力影響。

教師演示實驗，驗證猜測：牛頓管實驗?！部煽紤]用電腦課件，老師同步講解?！骋龑W生從觀察到的實驗現(xiàn)象得出結(jié)論。猜測、觀察、思考、理解、體會。學生在教師的引導下可以從實驗中得出結(jié)論：物體下落受到空氣阻力的影響。沒有空氣阻力時，物體下落過程中運動快慢與質(zhì)量無關(guān)。

通過牛頓管實驗使學生認識：〔1〕探究現(xiàn)象背后的實質(zhì)原因必須考慮或排除外界因素干擾?！?〕科學實驗是科學探究的有效方法。三．自由落體運動的概念

引問：由于落體運動受到空氣阻力影響，要想研究落體運動就必須排除空氣阻力，那么，如果物體在下落過程中忽略空氣阻力，物體的受力有什么特征。

學生以原有的力學根底可以很快答出：忽略空氣阻力，那么物體只受重力作用。

自由落體運動：物體僅在重力作用下，從靜止〔即初速度為零〕開始豎直下落的運動，叫做自由落體運動。

學生思考，聯(lián)想，答問。概念認識強調(diào)自由落體運動實際上是一種理想條件下的運動，實際生活中物體受到空氣阻力，但一般重力大于空氣阻力。四．學生自主實驗探究自由落體運動

引問：假設要研究某種運動規(guī)律，我們可以采用怎樣的方法和器材？回憶前面學習打點計時器的使用，學生可想到：利用打點計時器采用軌跡記錄法研究。

組織學生分組實驗：利用打點計時器記錄重物的下落過程〔提醒學生操作考前須知〕。引導學生思考、討論如何合理利用紙帶記錄的信息作初步分析：

A．軌跡──直線

方向──豎直向下

B．變速──速度越來越大──比擬相等時間內(nèi)發(fā)生的位移。小組實驗、操作、記錄、思考、交流討論。實驗后的思考不在于得出結(jié)論，而是提供學生進一步探究的思路和實驗過程的分析。有關(guān)結(jié)論在下一節(jié)課探究自由落體運動規(guī)律時會與學生共同得出。

五．課堂總結(jié)、點評教師活動：讓學生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請一個同學到黑板上總結(jié)，其他同學在筆記本上總結(jié)，然后請同學評價黑板上的小結(jié)內(nèi)容。學生活動：認真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會寫下來、比擬黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰的更好，好在什么地方。

設計說明：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學生概括總結(jié)能力。讓學生自己總結(jié)所學內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識框架?！窘虒W后記】本節(jié)課從學生的“測反響時間游戲〞引入，創(chuàng)設問題情景，建立問題期待，有效的激發(fā)學生學習的動機。從生活情景中構(gòu)建物理情景或模型，有利于學生將所學的科學知識與社會，生活實際相聯(lián)系；在教學中，學生經(jīng)歷的實驗探究全過程就是一個學生充滿興趣和動力去不斷解決問題的過程，學生從中能體會逐步解決問題的方法，提高解決問題的能力，小組內(nèi)的討論與交流活動能有效的培養(yǎng)學生的合作學習能力。附：課外閱讀材料〔印發(fā)給學生〕一、亞里士多德為什么在物理問題中總是出錯──評述亞里士多德的功與過物理教科書上，亞里士多德給同學們的形象不好。他老是出錯，請同學們講一講，他有哪些錯誤的結(jié)論。“物體下落的快慢是由它的重量決定的，物體越重，下落得越快〞、“力是維持物體運動的原因，用力推車，車才前進，停止用力，車子就要停下來〞。是否覺得亞里士多德實在太不高明，而伽利略那么比他偉大千倍。其實這種看法過于偏激，事實上，亞里士多德是古代的一位偉大思想家，一位百科全書式的大學問家，他有著成就事業(yè)的理性方法，又有著幾乎無所不及的思想成果，是古代科學思想的偉大代表，不僅在哲學、邏輯學方面的成就至今還被應用著，而且對物理學的前期開展是有奉獻的。①亞里士多德認為，物體永遠在運動變化，“運動是永恒的，不能在一個時候曾經(jīng)存在，在另一個時候不存在〞這種運動永恒的觀點具有唯物主義思想，包含辯證法的因素，至今仍是積極而有價值的。亞里士多德提出的“自然運動〞與“非自然運動〞的理論。其中含有靜止慣性的思想，在遙遠的公元前，已是難能可貴的了。②亞里士多德認為地上的物質(zhì)由土、水、氣、火這四種“根本元素〞組成；企圖從物質(zhì)本身來說明自然，把科學從宗教與神話中解放出來，這一精神是有進步意義，這是人類幼年時代的思想精粹。③亞里士多德主張大地是球形的，并列出了一些事實來證明。他說，當月蝕的時候，其顯明的部份恰帶有球形的形狀……月蝕的成因乃是由于地球遮蔽月球之故，因而這就是說，地球外表的球形確定了月球的輪廓：認識到大地是球形，是一個重大的認識飛躍，為后來引力理論的建立作了思想準備。這樣一位偉大的學者為什么在物理問題上經(jīng)常出錯？亞里士多德的錯誤不在于頭腦也不全在于時代，而在于研究方法。亞里士多德對物理的研究是采用“觀察加直覺〞的方法，他的那些錯誤結(jié)論是靠觀察，并依賴直接推理，得出一系列直覺結(jié)論。固然，觀察與直覺對物理研究是至關(guān)重要的。詳細的觀察和良好的直覺往往導致偉大的發(fā)現(xiàn)。然而物理學是一門以實驗為根底的學科，所以根據(jù)直接觀察所得出的直覺結(jié)論不是都可靠，有時會將人們引入歧途。如果說伽利略比亞里士多德偉大，就在于伽利略是第一位創(chuàng)造通過實驗檢驗理論推導的科學研究方法的科學家．二、伽利略與自由落體亞里士多德的學說在十六世紀仍然如日中天，人人都奉為經(jīng)典，沒有人提出任何的疑心。亞里士多德關(guān)于「自由落體」的學說是：物體自高處自由落下的速度和重量成正比。也就是說，一個十磅重的物體，下墜的速度會比一磅重的物體快十倍。這個學說在大小的外表上看來，似乎非常的合理，而且人人也都相信學說的真確性，教授們嚴肅的把這個學說教給他們的學生，學生們也都敬謹?shù)慕邮苓@個學說，只有伽利略表示疑心。伽利略曾經(jīng)親眼目睹大小不同的冰雹，同時一起掉落到地。根據(jù)常識判斷，它們似乎是從同一高度一起下墜的，但是按照亞里士多德的學說，較大的冰雹應該先落到地面上，小冰雹在接著掉來，伽利略觀察到的并非如此。他做了許多實驗，覺察亞里士多德的學說是錯誤的，他決心指出這項錯誤。傳說有一天，他邀請有關(guān)的教授到比塞塔前，拿出一個一百磅的重體，和一個一磅的重體。伽利略問所有的教授們：「假設這兩個重體同時自塔頂自由落下，結(jié)果如何？」教授們議論紛紛，誰也沒有做過這樣的實驗，沒有人敢預料結(jié)果如何。以往，他們按亞里斯多德的學說照本宣科，從來沒有疑心過?，F(xiàn)在，居然有一位二十五歲的青年，提出了要求證據(jù)的疑問。結(jié)果呢？要是兩個重體以非常懸殊的速度墜落地面，教授們可以松一口氣，證明亞里士多德的學說是正確的，伽利略將被冠上「說謊者」、「攪局者」的罪名。要是兩個重體同時墜落地面？又將如何解釋呢？是揚棄奉行多年的亞里士多德學說，接受伽利略實驗所證明的事實，還是對伽利略的實驗視假設無睹？比薩塔的傾斜度可以使墜體不受阻礙，伽利略塔頂大喊：「看清楚了沒有？下來了！」兩個重體砰然而下，小的重體始終和大的重體并行，而且同時落地。這兩個重體的砰然一聲，并不表示亞里士多德的學說已經(jīng)崩潰。因為這一群教授在不想相信一件真實事物的時候，根本不去看一看、摸一摸，無論如何也不愿意成認亞里士多德的學說是錯誤的。更荒唐的是他們反而疑心伽利略為了證實速度相同，而在重體內(nèi)隱藏了「魔術(shù)」。三、評述伽利略的科學研究方法①比薩有座著名的塔，建于1173年。塔高54．6m〔179英尺〕，由于塔基問題，塔身發(fā)生傾斜，那正是理想落體實驗場所。伽利略為了證明他的論斷，他邀請了許多人到斜塔旁觀看，有他的支持者，也有他的反對者。伽利略一