探究实验:自由落体运动

【教材分析】
“自由落体运动”在学生认识了匀变速直线运动,掌握了匀变速直线运动的规律之后,把自由落体运动作为初速度为0,加速度为g的匀加速直线运动的特例来处理,没有另外给出自由落体运动的公式,这样有利于学生形成知识的结构,避免死记公式。本节教学的重点和关键在于说明不同物体下落的加速度都是重力加速度g,学生由于受日常经验的影响,对重的物体落得快,轻的物体落得慢印象很深,所以做好演示实验十分重要,除了牛顿管的实验之外,还可以做一些小实验,使学生明白,日常见到的现象是因为受到空气阻力的影响的缘故,对“如果物体只受到重力,不同物体的加速度相同”有深刻的印象。
【教学设想】
  教学时间为一课时,整节课的教学设计围绕“实验现象──发现问题──探究问题──解决问题”的主线展开:
→科学的抽象、推测(真空中,如何?)→实验验证(牛顿管演示)
→得出结论(自由落体定义)→问题提出(自由落体运动规律如何?)
通过这一系列的活动,调动学生自主学习的积极性,并使学生对科学探究有一定的了解。开始的小实验很重要,是科学探究的入口处,所以教师一定要把握好演示的技巧,然后引导学生层层深入,激发学生的好奇心,使他们产生强烈的求知欲,积极主动地去探究问题。
【教学准备】
小钢球、牛顿管、纸片、铁架台、电火花计时器、重物、纸带、直尺、课件。
【教学过程】
一、导入新课
师:我们学习了匀变速直线运动的规律,其规律可由三个公式体现出来(投影)。今天我和大家一起来研究一个匀变速直线运动的实例──自由落体运动。
师:同学们对“自由落体运动”其实并不陌生。
(演示实验:将小钢球由高处静止释放,指出小钢球的运动就是自由落体运动。)
师:那么除了小钢球的下落外,还有哪些运动是自由落体运动?自由落体运动有什么样的特点和规律?这节课我们就来研究这个问题。
二、新课教学
1.什么是自由落体运动?
(演示实验:让一张纸片与小钢球同时自由下落,可看到什么现象?)
生:钢球落得快。
师:对,这就是我们的生活经验,似乎很容易得出“重的物体比轻的物体下落得快”的结论,这也是公元前古希腊哲学家亚里士多德的观点。这个观点使人们在错误的结论下走了二千多年,距今三百多年前,伽利略为证明亚里士多德观点的错误,做了大量的实验。他拿了一个质量是另一个质量10倍的铁球站在比萨斜塔上,使两球由静止同时下落,据亚里士多德的观点,重球应该先落地,但实际上两球同时落地。
师:请再看演示实验,把刚才的纸揉成团,和小钢球由静止落下,同学们再观察。
生:几乎同时落地。
师:同一张纸,为什么形状不一样,其下落时间就不一样呢?
生:这是因为空气阻力的影响,把纸揉成团,所受的空气阻力要比纸片所受的空气阻力小得多,所以与小钢球几乎同时落地。
师:如果把质量、形状不同的物体放在真空中,从同一高度自由下落,现象如何呢?让我们做一个实验。
(演示实验:我这里有一个长约1米,一端封闭、另一端有开关的玻璃管(牛顿管),把形状和质量不同的小金属片、小羽毛等,放在玻璃管里。)
1.打开开关,管里有空气,把玻璃管倒立过来,现象如何?
生:这些物体下落的快慢不同。
2.把管里的空气几乎全部抽出,会如何?
生:下落的快慢相同。
师:可见导致物体下落有快有慢的原因是空气有阻力。指出在真空条件下,小物体的运动就是自由落体运动,请同学们据刚才的过程、结论,给“自由落体”下一个定义。
生:真空中,只受重力,物体从静止竖直下落。
小结Ⅰ:物体只有在重力下从静止开始下落的运动叫自由落体运动。这种运动只有在没有空气的空间里才能发生;在有空气的空间里,如果空气的阻力作用比较小,可以忽略,物体的下落也可以看做是自由落体运动。
师:像牛顿管中的金属片、小羽毛从静止开始下落的运动是自由落体运动。在空气中,比如小钢球、小粉笔头、小纸团等,它们所受空气阻力相对于它们的重力可忽略,所以他们从静止开始下落运动也是自由落体运动。
师:空气中的纸片从静止下落的运动是自由落体运动吗?(演示)
生:不是,因为纸片所受的空气阻力相对于它的重力不可忽略。
小结Ⅱ:在同一地点,所有物体的自由落体运动是相同的,像刚才牛顿管里的金属片、小羽毛的运动是相同的;空气中小钢球、纸团的自由落体运动也是相同的。
2.自由落体运动的性质
  从上面的实验及分析可知:自由落体运动是v0=0的加速运动,是什么样的加速运动呢?通过实验来研究。
(学生分组实验:重物自由下落,用打点计时器打一纸带。)
师:通过分析纸带能否确定自由落体运动是否为匀加速直线运动?
生:能。
师:请分组完成测量工作,然后据测量结果,告诉我你们的结论。
(投影)
s1=? s2=? s3=? s4=?
s2-s1=? s3-s2=? s4-s3=?
误差允许的范围内s2-s1=s3-s2=s4-s3=Δs=?
生:自由落体运动是匀加速直线运动。
师:能不能求出其加速度呢?
生:能,由Δs=at2,得a=?
(分组完成,分别说出结果。)
师:这个实验便于操作,却很粗糙,人们发明了许多先进的实验手段来研究自由落体运动,这里,我给大家介绍一种较先进的方法──频闪照相法。
(看投影:这是自由落体运动(小球)的频闪照相的照片,照片上相邻的像是相隔同样的时间拍摄的,类似纸带的分析我们可以较准确地求出小球的加速度。)
小结:通过以上分析,我们不难得出自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动,而且在同一地点,一切物体在自由落体运动中的加速度都相同,这个加速度叫自由落体加速度,也叫重力加速度,通常用g表示。
师:请同学们阅读教材第37页表格内容,得到什么知识?
生:地球上不同的纬度,g值随纬度的增加而增加,通常g值取9.8m/s2,有时粗略计算也取10m/s2,g的方向竖直向下。
3.自由落体运动的规律
师:既然自由落体运动是初速度为0,加速度为g的匀加速直线运动,请同学们推出其速度公式,位移公式以及位移速度公式。
生:推出vt=gt s=(1/2)gt2  v2t=2gs
例题:课本习题4
反思:这节课主要是了解自由落体运动的条件,知道自由落体运动就是初速度为0的匀加速直线运动,推出了运动规律的三个公式,希望同学们与以前的知识联系起来,灵活地运用。
 

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