【人教版2019必修第一冊】高一物理4自由落體運動（教學設計）教案

第4節自由落體運動（教學設計）年級高一年級學科物理教師課題第4節自由落體運動教學目標物理觀念理解自由落體運動的特點和規律。會運用自由落體運動的特點和規律解答相關問題。科學思維通過觀察演示實驗，概括出自由落體運動的特點，提高觀察、分析能力。科學探究通過實驗探究自由落體運動的規律；會利用打點計時器測量自由落體加速度。科學態度與責任養成嚴謹的科學態度和實事求是的科學作風。教學重難點1.知道物體做自由落體運動的條件,知道自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動(重點)。2.能夠通過實驗判斷自由落體的運動性質(重點)。3.能夠運用自由落體運動的規律和特點解決有關問題(重難點)。教學過程教師活動學生活動導入新課教師：左右手各放一個小球和一個氣球,置于同一高度,同時松手,讓學生觀察二者的落地情況。教師：若將氣球放在小球上，小球和氣球誰先落地？學生：提出猜想:(1)小球先落地,氣球緩慢下落。(2)二者同時落地。(3)小球落地,氣球上升。教師：進行實驗演示,讓學生觀察。學生：可以發現二者同時落地。教師：通過實驗對比,請大家思考一下:物體下落的快慢與什么因素有關?新課講授一、自由落體運動教師：探究活動:輕重不同的物體下落快慢是否相同。教師：引導學生分組討論,設計實驗方案,利用準備好的器材做實驗,觀察現象,然后提出問題,讓學生分組交流,展開辯論。實驗1:將一元硬幣與等大的紙片從同一高度由靜止釋放,觀察誰落地快。教師：提問:能不能得出物體越重下落越快?實驗2:將一小石子與一比小石子重的大紙片從同一高度由靜止釋放,觀察誰落地快。教師：提問:能不能得出物體越輕下落越快?師生：小結:從觀察到的現象看,物體下落的情況比較復雜,直觀感覺和經驗告訴我們,有時重的物體下落快,有時輕的物體下落快,物體下落的快慢不僅與重力有關,還與其他因素有關,對具體問題要具體分析。教師：提問:那么是什么因素在起作用呢?實驗3:取兩張完全相同的白紙,它們的重力相同,這樣重力對下落的作用是一樣的,把其中一張白紙揉成紙團,讓它們從同一高度由靜止釋放,觀察誰落地快。教師：提問:重力相同的物體能否同時落地,為什么?實驗4:取一元硬幣1枚,與一元硬幣等大的紙片1張,將紙片揉成團,讓它們從同一高度由靜止釋放,觀察誰落地快。教師：提問:物體下落的快慢與重力有關嗎?那么為什么有時重的物體下落快呢?是什么因素在起作用呢?學生：可能是空氣阻力的作用。教師：如果沒有空氣阻力的話,物體自由下落的情況會怎樣呢?我們通過實驗來檢驗。教師：演示牛頓管實驗,引導學生觀察現象。學生：得出結論:若無空氣阻力,不同物體自由下落的快慢相同。師生：歸納總結:物理學中,把物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動,叫作自由落體運動。在日常生活中,物體下落時不可能不受空氣阻力,如果空氣阻力對于重力而言很小而可以忽略的話,物體由靜止下落的運動就可以看成自由落體運動。所以,自由落體運動是一個理想化的過程,通過理想化突出主要因素,忽略次要因素,從而使問題簡單化,這是物理學中常用到的一種研究問題的科學方法。

例1關于自由落體運動,下列說法正確的是()A.春天下毛毛細雨,雨滴下落的過程可看作自由落體運動B.衛星返回艙返回地球過程中的運動可看作自由落體運動C.從二樓陽臺由靜止釋放的一把鑰匙,可近似看作自由落體運動D.從水平飛行的飛機上釋放的大包救災物資,物資將做自由落體運動答案C解析春天下毛毛細雨,雨滴下落的過程受到空氣阻力作用不能忽略,則雨滴下落的過程不是自由落體運動,選項A錯誤;衛星返回艙返回地球過程中要受到大氣的阻力作用,則返回艙的運動不能看作自由落體運動,選項B錯誤;從二樓陽臺由靜止釋放的一把鑰匙,空氣阻力可忽略不計,可近似看作自由落體運動,選項C正確;從水平飛行的飛機上釋放的大包救災物資,物資由于有水平速度,同時空氣的阻力也不能忽略不計,則不是做自由落體運動,選項D錯誤。學生分組討論，交流,展開辯論。新課講授二、自由落體加速度教師：介紹伽利略如何用簡單明了的科學推理,巧妙地揭露了亞里士多德學說內部的矛盾,并推斷自由落體運動是一種勻加速運動。伽利略用科學推理揭示自然規律的方法,對現代的科學研究仍然有著重要的指導意義。下面我們就用實驗來研究自由落體運動,并揭示出它的規律。師生：共同進行實驗。教師：用打點計時器打出若干條重錘自由下落運動的紙帶,并將打出的紙帶分發到各學生小組。學生：分組進行有關測量,測出相鄰點間的距離s,計算出各點的瞬時速度及重錘運動的加速度。師生：交流并展示結果,歸納總結:(1)自由落體運動是初速度為0的勻加速運動。(2)在同一地點,一切物體在自由落體運動中的加速度都相同,這個加速度叫作自由落體加速度,又叫重力加速度,用“g”表示,方向豎直向下,通常情況下g=9.8m/s2,粗略計算時也可取10m/s2。教師：引導學生按勻變速直線運動的知識推導出自由落體運動的規律,并到黑板上推導。學生：得出自由落體運動的規律:v＝gt，x＝eq\f(1,2)gt2，v2=2gh。例1關于自由落體加速度，下列說法正確的是()A．物體的質量越大，下落時加速度越大B．在同一高度同時由靜止釋放一大一小兩個金屬球，二者同時著地，說明二者運動的加速度相同，這個加速度就是當地的自由落體加速度C．北京的自由落體加速度比廣東的稍小D．以上說法都不對答案B解析自由落體運動是忽略空氣阻力的運動，無論質量大小，下落時加速度都是g，選項A錯誤；在同一高度釋放的金屬球受到的空氣阻力遠小于金屬球的重力，金屬球做自由落體運動，故金屬球運動的加速度為當地的自由落體加速度，選項B正確，D錯誤；北京的自由落體加速度比廣東的大，選項C錯誤．例2如圖甲所示，將打點計時器固定在鐵架臺上，使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置可以測得自由落體加速度．(1)所需器材有：電磁打點計時器、紙帶、復寫紙、帶鐵夾的鐵架臺和帶夾子的重物，此外還需(填字母代號)．A．直流電源 B．天平及砝碼C．8V交變電源 D．毫米刻度尺(2)已知電磁打點計時器的工作頻率為50Hz，實驗中得到的一條紙帶如圖乙所示，A、B、C、D、E是打點計時器連續打出的點，圖中四個數據中不符合有效數字要求的一組數據應改為________cm；在打下點D時重物的速度大小為m/s.重物的加速度大小為_______m/s2.該實驗中測得的自由落體加速度的值偏小，其主要原因是.答案(1)CD(2)2.001.4839.625實驗中存在摩擦力及空氣阻力解析(1)電磁打點計時器需接8V交變電源．自由落體加速度與物體的質量無關，所以不需要天平和砝碼．計算速度需要測量相鄰計數點間的距離，需要毫米刻度尺，故A、B錯誤，C、D正確．(2)用毫米刻度尺測量長度，測量結果要求估讀到最小刻度的下一位，這四個數據中不符合有效數字要求的是2.0cm，應改為2.00cm.A、B、C、D、E是打點計時器連續打出的點，因此相鄰兩點之間的時間間隔為T＝0.02s；根據勻變速直線運動某段時間中間時刻的速度等于該時間段的平均速度求出D點速度為vD＝eq\f(xCE,2T)＝eq\f(0.1032－0.0439,0.04)m/s≈1.483m/s；根據逐差法有a＝eq\f(xCE－xAC,4T2)＝eq\f(0.1032－0.0439－0.0439,4×0.022)m/s2＝9.625m/s2.由于重物下落的過程中不可避免地存在摩擦力及空氣阻力，因此所測自由落體加速度的值比實際值要小．例3從離地面500m處自由落下一個小球，不計空氣阻力，取g＝10m/s2，求：(1)小球落到地面需要的時間；(2)開始下落后第1s內的位移大小和最后1s內的位移大小；(3)下落時間為總時間一半時的位移大小．答案(1)10s(2)5m95m(3)125m解析(1)小球做自由落體運動，根據x＝eq\f(1,2)gt2可得t＝eq\r(\f(2x,g))＝eq\r(\f(2×500,10))s＝10s.(2)第1s內的位移x1＝eq\f(1,2)gt12＝eq\f(1,2)×10×12m＝5m前9s內的位移x9＝eq\f(1,2)gt92＝eq\f(1,2)×10×92m＝405m最后1s內的位移Δx＝x－x9＝500m－405m＝95m.(3)t′＝eq\f(t,2)＝5s位移x5＝eq\f(1,2)gt′2＝eq\f(1,2)×10×52m＝125m.教師：歸納總結:我們運用了物理學中的理想化方法,從最簡單、最基本的情況入手,抓住影響運動的主要因素,去掉次要的非本質因素的干擾,建立了理想化的物理過程——自由落體運動。理想化是研究物理問題常用的方法之一,在后面的學習中還要用到。通過分析處理實驗數據,我們得出了自由落體運動的概念,結合勻變速直線運動的規律推導出自由落體運動的規律。要學會研究問題的方法,而不僅僅是知識本身。知識的結論當然重要,但更重要的是如何獲取知識和處理知識。學生配合教師共同完成實驗。課堂練習1.下列關于自由落體運動的說法正確的是()A．自由落體運動是一種初速度為零的勻加速直線運動B．從豎直上升的熱氣球吊籃中掉下的物體的運動是自由落體運動C．在空氣中下落的雪花的運動是自由落體運動D．只在重力作用下的運動必定是自由落體運動答案A解析自由落體運動是初速度為零、加速度為g的勻加速直線運動，故A正確；從豎直上升的熱氣球吊籃中掉下來的物體具有向上的初速度，所以不是自由落體運動，故B錯誤；在空氣中下落的雪花受到的空氣阻力不能忽略不計，不是自由落體運動，故C錯誤；只在重力作用下但初速度不為零的運動不是自由落體運動，故D錯誤．2.(多選)下圖中可以表示物體做自由落體運動的是()答案BC解析自由落體運動的速度公式為v＝gt，可知t＝0時v＝0，且v與t成正比，故A錯誤，B正確．自由落體運動的加速度恒為g，故C正確．由自由落體運動的位移公式x＝eq\f(1,2)gt2可知，x與t2成正比關系，故D錯誤．3.在某靜止的塔吊頂上操作工人不小心掉落一串鑰匙，忽略空氣對鑰匙的作用力，2s末鑰匙落地，重力加速度g＝10m/s2，則塔吊頂離地面的高度約為()A．20m B．25mC．40m D．45m答案A解析忽略空氣對鑰匙的作用力，鑰匙做自由落體運動，由自由落體運動位移公式，解得鑰匙在2s內下落的高度，即塔吊頂離地面的高度約為h＝eq\f(1,2)gt2＝eq\f(1,2)×10×22m＝20m，A正確，B、C、D錯誤．4.人從發現情況到采取相應行動所用的時間叫反應時間．如圖，同學甲兩個手指捏住刻度尺一端，刻度尺零刻度線一端靠近地面，由于刻度尺零刻度處有破損，同學乙在刻度尺5cm刻度處做握尺準備，且手的任何部位都與刻度尺不接觸．當乙看到甲放手時，立即握住刻度尺，發現所握處刻度值為45cm，g取10m/s2，則同學乙的反應時間約為()A．0.2sB．0.3sC．0.4sD．0.5s答案B解析依題意，同學乙的反應時間內刻度尺做自由落體運動，下落的高度為h＝45cm－5cm＝40cm＝0.40m，根據自由落體運動公式，有h＝eq\f(1,2)gt2，解得t＝eq\r(\f(2h,g))＝eq\r(\f(2×0.4,10))s≈0.3s，故選B.5.某物體做自由落體運動，g取10m/s2，則()A．第2s內的平均速度為10m/sB．第3s內的位移為45mC．后一秒內的位移總比前一秒內的位移多5mD．后一秒內的平均速度總比前一秒內的平均速度大10m/s答案D解析由平均速度公式知第2s內的平均速度eq\x\to(v)2＝v1.5＝g×1.5s＝15m/s，選項A錯誤；由位移比關系可知x1∶x3＝1∶5，x1＝eq\f(1,2)gt2＝5m，所以第3s內的位移為25m，選項B錯誤；由Δx＝gt2得，后一秒位移比前一秒位移多10m，選項C錯誤；平均速度等于時間中點的瞬時速度，那么前一秒的中間時刻與后一秒的中間時刻的時間差為1s，即后一秒內的平均速度總比前一秒內的平均速度大10m/s，選項D正確．課堂小結板書設計第4節自由落體運動一、自由落體運動1．定義：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動．2．物體的下落可看作自由落體運動的條件：空氣阻力的作用比較小，可以忽略．二、自由落體加速度1．定義：在同一地點，一切物體自由下落的加速度都相同，這個加速度叫作自由落體加速度，也叫作重力加速度，通常用g表示．2．方向：豎直向下．3．大小(1)在地球表面，g值隨緯度的增大而逐漸增大．(2)一般取值：g＝9.8m/s2或g＝10