《自由落體運動》教學(xué)案例

談“課堂實驗”在物理教學(xué)中的應(yīng)用《自由落體運動》教學(xué)案例一、案例背景1、《自由落體運動》教材分析本節(jié)為《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》共同必修模塊“物理1”中第一個二級主題“運動的描述”中所涉及到的內(nèi)容。本節(jié)教學(xué)內(nèi)容要體現(xiàn)物理物體的下落運動是日常生活中最為常見的現(xiàn)象，學(xué)生對物體的下落運動已有自己的認識，這可以成為教學(xué)的起點，通過實驗和科學(xué)的辨析，認識自由落體運動的規(guī)律。2、教學(xué)背景簡介本節(jié)課在回浦中學(xué)外語11班進行教學(xué)，是物理組期中階段時開的一節(jié)公開課。學(xué)生對本節(jié)課內(nèi)容有所預(yù)習(xí)。3、以實驗為課堂模式的探索新課程下的物理課堂對課堂實驗及課堂教師演示實驗提出了更多的要求，課堂實驗需教師和學(xué)生共同參與，在通過實驗操作后，自然而然的得出隱藏在實驗背后的物理定律。達到教師教的輕松，學(xué)生學(xué)得興趣。4、課堂訓(xùn)練的合理布置。實驗貫穿整節(jié)課，對分組實驗的實驗數(shù)據(jù)處理就成了本節(jié)課的一個課堂訓(xùn)練，提高學(xué)生的合作能分，提高學(xué)生的處理實驗數(shù)據(jù)的能力，提高學(xué)生從大量定性的現(xiàn)象中找到物理規(guī)律的能力。二、教學(xué)過程（一）新課的引入師：生活中，我們見過很多從空中落下的物體，如雨滴、雪花、落葉、蘋果等等，事實上我們發(fā)現(xiàn)這些物體有些下落得快，有些下落得慢，同學(xué)都說說看，你們心中覺得哪些物體下落的快，哪些下落得慢？說明：讓學(xué)生展示對物體下落已有的經(jīng)驗認識，并引導(dǎo)學(xué)生注意觀察身邊物理現(xiàn)象，體會到物理知識就在我們身邊，感悟物理規(guī)律研究的價值。學(xué)生對物體下落的認識有下面幾種1．重的物體下落快；例如：小石塊下落的比樹葉快2．輕和重的物體下落一樣快；例如：小石塊和小紙團下落的一樣快3．體積小的物體下落的比體積大的物體下落快；例如：小球下落的比氣球快4．密度小的下落得慢6．……師：同學(xué)們提出的這些看法從每個實例在生活中都存在著,是那到底物體下落跟哪些因素有關(guān)呢說明：讓學(xué)生對已有觀點進行分析和比較，提出新的問題，然后對新問題進行進一步的研究。對已有現(xiàn)象和結(jié)論進行進一步的思考和分析是科學(xué)研究的起點。學(xué)生分析出影響下落快慢的因素有如下幾種：1．物體的輕重；2．物體的形狀；3．物體的密度師：當(dāng)物理現(xiàn)象可能與幾個因素有關(guān)時如何研究下去？可通過實驗進行進一步的研究；也可以通過科學(xué)的推理進一步研究。下面我們同學(xué)就來一起設(shè)計幾個實驗來驗證，影響下落快慢的因素到底跟同學(xué)們提出來的有沒有關(guān)系。。說明：對于遇到的問題和困難如何進一步研究下去，這是要讓學(xué)生體會的，因此在學(xué)習(xí)中不要只給學(xué)生唯一正確的方法和過程，讓學(xué)生嘗試中體驗成功和失敗的快樂。學(xué)生提出的實驗方案有：1．三個貼在一起的一元硬幣的一個硬幣分別從同一高度下落，觀察下落快慢。同學(xué)猜想：重量不同，下落一樣快2．三個貼在一起的一元硬幣和一張紙片從同一高度下落，觀察下落快慢。同學(xué)猜想：重量大，下落快3．……師：好，每個同學(xué)都開動腦筋，設(shè)計出？說明：以往結(jié)論往往是教師直接給出，沒有給學(xué)生思考總結(jié)的時間，這樣學(xué)生的實驗只流于形式，沒有達到揭示通過實驗揭示現(xiàn)象本質(zhì)的功能，同時也不能給學(xué)生帶來研究問題的樂趣。預(yù)測：學(xué)生對實驗現(xiàn)象的觀察和思考可能得出的結(jié)論是（1）．空氣阻力對物體下落是有影響的，同一物體受到空氣阻力時運動的較慢；2．當(dāng)有受到空氣阻力時物體下落還與物體重力有關(guān)3．當(dāng)物體在沒有受到空氣阻力的情況下，物體下落的快慢似乎與重力無關(guān)4．……師：從以上討論中，我們可以發(fā)現(xiàn)空氣阻力對物體下落的確有影響，而且較為復(fù)雜，日常生活中許多物體下落時受到的空氣阻力很小,與物體的重力比較小的很多,常?？梢院雎圆挥?，我們今天就是研究在沒有空氣阻力的情況下物體的下落情況，這種運動就叫自由落體運動。（二）自由落體運動1、輕、重物體自由落體運動的過程運動情況一樣―――下落的一樣快教師通過牛頓管演示實驗來證實在沒有空氣阻力的情況下，輕、重物體下落情況一樣。實驗裝置如右圖所示，在一根長約1.5m的玻璃管中，放入一些形狀和重力均不同的小物體，如羽毛、金屬片、軟木塞、小玻璃球等。演示實驗時按如下步驟：（1）不抽出玻璃管中的空氣，將玻璃管倒立過來，觀察物體下落情況（2）抽去玻璃管中部分空氣，將玻璃管倒立過來，觀察物體下落情況（3）繼續(xù)抽泣玻璃管中空氣，再將玻璃管倒立過來，觀察物體下落情況在師：從該實驗中，同學(xué)們看到什么現(xiàn)象，從這些現(xiàn)象中說明了什么問題？說明：演示實驗的功能是為了揭示現(xiàn)象的本質(zhì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；演示實驗中如何提高學(xué)生觀察的興趣是教師在完成實驗過程中要考慮的；本演示實驗并沒有一下就做“真空”情況下，物體下落的情況；而是不斷地抽出玻璃管中的空氣，觀察減小物體下落阻力，物體的運動情況；這樣每次實驗現(xiàn)象均不相同，有利于形成科學(xué)的觀察習(xí)慣和觀察敏銳性。預(yù)測：學(xué)生可能的觀察到的現(xiàn)象和結(jié)論1．玻璃管中空氣越少，那么物體運動快慢越一致2．可以推出在沒有空氣阻力的情況下，輕、重物體下落的一樣快在學(xué)生得出不同物體自由落體運動情況一樣后，教師介紹伽利略是如何對亞里士多德對物體下落的研究結(jié)論產(chǎn)生懷疑，通過推理進行進一步分析得出輕、重物體下落是一樣快的。分析方法如下：在古希臘哲學(xué)家，亞里士多德認為物體下落的速度與物體所受的重力大小成正比，即重物比輕物先落地。伽利略用亞里士多德的觀點推出了互相矛盾的結(jié)果。他說如果重的物體先落地，那么把輕的物體和重的物體栓在一起，那么它比重的物體還重，根據(jù)亞里士多德的觀點它下落的地面的時間應(yīng)比重的物體短；但我們再根據(jù)亞里士多德的觀點，重物下落的比輕物快，那么在下落過程中，重物會受到輕物的牽扯而變慢，輕物會受到重物的牽扯而變快；那么拴在一起的物體下落的速度應(yīng)比重物下落的速度慢；這樣伽利略就用亞里士多德的觀點推出兩個互相矛盾的結(jié)論，這說明亞里士多德的觀點是有缺陷的，因此伽利略認為輕、重不同的物體它們下落的速度是一樣的。為了說明他對物體下落的結(jié)論是正確的的，據(jù)說他在比薩斜塔上把木球和銅球同時下落，發(fā)現(xiàn)它們幾乎同時落地。伽利略利用科學(xué)的思辨方法指出了亞里士多德對物體下落的觀點的矛盾通過實驗揭示了物體自由落體運動的規(guī)律。2、自由落體運動的加速度師：自由落體運動的規(guī)律都相同，用什么物理量來表示自由落體的運動規(guī)律呢？說明：在研究得出輕、重不同的物體自由落體運動的一樣快后，學(xué)生很可能會產(chǎn)生這樣的疑問，為什么輕重物體下落的會一樣快？其內(nèi)在原因是什么？產(chǎn)生這樣的疑問是非常好的，對這個問題的思考和討論正是揭示了力和運動之間的關(guān)系。但并不是本節(jié)課研究的主要問題；因此在此處，教師通過問題把學(xué)生的思維引導(dǎo)到研究自由落體運動規(guī)律這方面。如果學(xué)生有這方面的疑問，教師應(yīng)給以積極的肯定，并且鼓勵學(xué)生課可后給以解決。預(yù)測：學(xué)生對老師提出的問題可能的答案是1．用物體的速度來表示2．用物體的運動加速度來表示引導(dǎo)學(xué)生認識到物體運動的加速度是用于確定物體的運動快慢，知道物體運動的加速度就能知道物體的運動速度的變化規(guī)律，知道物體的速度變化規(guī)律就能知道物體的位置變化規(guī)律，因此只要知道物體的運動加速度（和運動初速度）就能知道物體的運動規(guī)律。師：那么如何測得自由落體運動的加速度呢？請思考測量重力加速度的實驗方案？說明：自由落體運動是勻變速直線運動的一個實際例子，本節(jié)課目的不僅要讓學(xué)生認識到自由落體運動的規(guī)律，而且還要通過對自由落體運動的研究來加深對勻變速直線規(guī)律的掌握和應(yīng)用。因此可讓學(xué)生利用所學(xué)勻變速直線來設(shè)計來研究自由落體運動的運動規(guī)律。預(yù)測：學(xué)生設(shè)計的實驗方案可能是：1．讓小球從高為h下落，測出下落所用時間t；那么自由落體運動的加速度為（此種方法由于物體自由落體運動很快，因此時間的測量較難；此種方法并不可行）2．利用打點計時來測量自由落體運動的加速度（重物重力應(yīng)較大，這樣才能使重物在下落過程中受到的阻力可以忽略不計，本實驗容易實現(xiàn)）3．利用閃光照片來測量自由落體運動的加速度（本實驗實驗誤差最小，但不容易在課堂上實現(xiàn)，但這種方法教師應(yīng)該給予介紹）在學(xué)生交流討論實驗設(shè)計的方案中，應(yīng)讓他們對各種方案闡述自己的觀點，反思方案中的問題。老師可根據(jù)教學(xué)實際情況安排實驗（打點計時器實驗）或直接給出打點器打出自由落體運動的紙帶（或自由落體運動的閃光照片），讓學(xué)生分析得出測量出自由落體運動的加速度―――重力加速度。教師在學(xué)生算出重力加速度后，教師可以提供不同緯度上的重力加速度，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)地球不同緯度的重力加速度是不一樣的，它會隨緯度的增大而增大。（這點可以在學(xué)習(xí)萬有引力定律后給出更好，因此教師可以根據(jù)學(xué)生情況自行取舍；如果學(xué)生能提出為什么重力加速度會隨緯度的增大而增大？那么老師應(yīng)給以肯定，鼓勵學(xué)生探究其產(chǎn)生的原因）3．自由落體運動規(guī)律的應(yīng)用生活中許多物體的下落都可以看成自由落體運動；如石塊下落、花盆下落……。1．請同學(xué)們估算從三樓涼臺上下落的花盆，經(jīng)過多長時間到達地面，到達地面速度多大？說明：該例題讓學(xué)生體驗物理現(xiàn)象就在我們身邊，體驗自由落體運動的快慢。讓學(xué)生學(xué)會估算的方法。分析和解：每層樓樓高約2.8m左右三樓涼臺離地面高度h≈2.8×2＋2.8÷3≈6.5(m)根據(jù)自由落體運動規(guī)律：∴花盆落地速度：v＝gt≈11.4（m）老師在學(xué)生解題的過程，應(yīng)教學(xué)生估算樓高的方法，知道每層樓高；解題后應(yīng)對結(jié)論進行進一步的討論。如：問三層樓掉下的花盆到達地面所用時間1.14s是長還是短，那么住在高樓同學(xué)應(yīng)注意什么？進入工地為什么必須戴上安全帽？……等許多實際問題。在學(xué)生體驗到自由落體運動下落很快后，老師可以介紹伽利略是如何通過實驗和推理來研究自由落體的運動的規(guī)律的。（當(dāng)時沒有打點計時器和閃光照相的方法，也就是這么短的時間是沒有辦法測量的；伽利略是如何解決這樣的問題？）（參考伽利略《兩種新科學(xué)的對話》一書）2．請同學(xué)們利用刻度尺設(shè)計測量人的反應(yīng)時間說明：在應(yīng)用物理規(guī)律時，不僅要做鞏固性練習(xí)，而且要結(jié)合實際問題情景讓學(xué)生在做的過程體驗如何應(yīng)用物理知識解決問題特別是方案設(shè)計的討論有助于促進學(xué)生各方面的發(fā)展，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。這個問題學(xué)生可在課堂完成也可在可后完成。三、案例評析：本節(jié)課教學(xué)設(shè)計不僅注重學(xué)生新知識的形成過程，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時體會如何進行科學(xué)的思維和實驗；而且在教學(xué)過程中注重調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和主動性，教學(xué)設(shè)計注意體現(xiàn)物理學(xué)的價值，在教與學(xué)的過程中促進學(xué)生科學(xué)的價值觀和世界觀的形成。本設(shè)計從學(xué)生日常生活中的例子出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生進一步的思考，發(fā)現(xiàn)問題，然后通過實驗揭示問題的本質(zhì)；在此過程教