《自由落体运动的规律》探究式教学设计

陆铸华

1 教材分析

落体运动是日常生活中常见的现象。其中，自由落体运动在高中物理教学中具有重要的地位。探究物体运动的规律， 实质上是寻找描述运动的各物理量（位移、速度、时间、加速度等）之间的关系，《高中物理课程标准（试行）》要求学生能从图像和公式两个角度探究物体运动的规律。沪科版教材采用了由特殊到一般的思路，即先探究自由落体运动的规律，再推广到匀变速直线运动的一般规律。

2 学情分析

学生对落体运动已有的认识是教师开展探究式教学的起点。在知识结构上，学生已经学习了描述运动的物理量，运用打点计时器研究物体运动，测量运动物体的加速度；从知识建构的心理角度看，学生在上节课经历了“伽利略的科学发现之旅”，领会了其科学探究的思想方法后，自然希望继续对自由落体运动的规律进行深入探究。为此，本节课采用学生自主组合探究小组的形式，进行合作学习。

3 设计思路

本节课教学设计，方法承上：运用伽利略的科学思想方法深入探究自由落体运动的规律；知识启下：自由落体运动的规律是匀变速直线运动的特例，学好它为后续学习匀变速直线运动的规律打下基础。因此，先应用伽利略对落体运动的研究结论得出自由落体运动的概念和条件，然后指导学生通过实验和理论探究,分析其规律，即实验探究其速度变化规律，由速度图像求出斜率得到重力加速度大小和速度公式，再根据匀速直线运动速度图像中的面积对应位移，运用分割和逼近的处理方法得出位移公式，再由消元法推导出速度位移公式，最后设计典型例题训练反馈。此外，还设计了学生随堂实验（测量人的反应时间）和课外探究（感受做自由落体运动的小铁球落地的节奏特点）。本节课的特点是渗透物理学的研究方法，即运用实验探究和理论探究研究问题，同时引导学生进行实验设计，激发探究兴趣。

4 教学重点

(1) 探究自由落体运动的规律。

(2) 渗透物理学的研究方法：实验探究和数学方法（图像）研究物理问题。

5 教学难点

探究自由落体运动规律的过程。

6 教学目标

（1）知道自由落体运动是理想化的物理模型，理解自由落体运动的条件和性质。

（2）掌握重力加速度的概念，经历探究重力加速度的实验，培养学生的探究能力。

（3）会利用实验数据描绘图像，并结合匀速直线运动的特点推出自由落体运动规律。

（4）理解自由落体运动的规律并能够运用其解决简单的实际问题。

（5）通过指导学生探究，培养学生的协作意识，初步了解探索自然规律的科学方法。

7 教具准备

多媒体课件（展示图像法和分割逼近思想等）、打点计时器、铁架台、纸带、电源、重锤、导线若干等。

8 教学过程

（1）准备

教师提供打点计时器等器材，提出合作的要求；学生自愿组合成若干小组，讨论与交流，设计数据记录表。

设计意图：开展合作学习，激发学生学习热情，突出学生主体地位和教师主导作用。

（2）引入新课

师：伽利略在研究自由落体运动时忽略了什么因素？

生：忽略了空气阻力的影响。

师：伽利略的研究抓住了问题的本质，建立了一个理想化的物理模型。

设计意图：复习提问调动了学生思维的积极性，容易引起学生对教学内容的注意，渗透物理模型的教育，同时为自由落体运动条件的学习做铺垫。

（3）教学过渡

师：伽利略研究落体运动得出了什么结论？我们怎样利用已学过的知识和方法探究自由落体运动的规律？

生：落体运动下落的距离与时间的平方成正比，落体运动是匀加速直线运动。我们可以结合上一章所学，即怎样描述物体运动的快慢和怎样描述物体速度变化的快慢的方法，探究自由落体运动的规律。

教师进一步启发：从落体运动的轨迹看加速度方向，为竖直向下；判断自由落体运动为匀加速直线的关键是探究其加速度的大小是否恒定。然后，指导学生分析做自由落体运动的条件，说明这种运动只在真空中才能发生。

学生通过实验发现，小纸团受到的空气阻力较小时和橡皮块同时落地。

教师说明条件的实际意义：如果空气阻力小到可以忽略阻力，物体的下落就近似看作自由落体运动。

设计意图：抓住学生的知识最近发展区，激发学生的求知欲；培养学生尝试用已知探究未知的能力，在明确探究实验的目的和原理基础上，进一步让学生亲自动手操作，创造开展探究活动的条件。

（4）课堂探究实验

例：运用打点计时器，探究自由落体运动的加速度。

教师强调做好实验的关键是控制条件。

① 将打点计时器竖直固定在铁架台上；

② 手提着纸带，使重物静止在靠近计时器的下方；

③ 先接通电源再松开纸带，重复实验几次；

④ 实验前设计好实验数据记录的表格；

⑤ 通过数据处理分析自由落体运动是否为匀加速直线运动。

（5）数据处理

① 数据列表② 建立坐标系 ③ 描点④ 猜想分析 ⑤ 绘制图像⑥ 发现规律

教师展示并分析学生处理数据的正误实例，总结自由落体运动的速度图像和规律（速度图像如图2），要求测出其加速度。

设计意图：图像是分析物理问题的重要方法，引导学生从速度图像的斜率思考用比值法定义加速度。

（6）理论推导规律

师：测量值与当地值（合肥:9.793 3m/s²）相比，是偏大还是偏小？其原因是什么？小组之间比较测量结果。

生：实验时，由于存在空气阻力以及纸带与打点计时器之间的摩擦，因此造成测量值偏小。若不考虑这些因素影响，在同一地点测量值应该相同。

教师讲解自由落体加速度的定义。它是由重力产生的，所以又叫重力加速度，用g表示，方向竖直向下，大小约为9.8m/s²。g是一个重要的地球物理常数，准确地测定它的量值在计量学、地球物理学、地震预报、重力探矿等都具有重要意义。我国是能够准确测量g值的几个国家之一。1989年，包括我国在内的十个国家，在国际计量局（BIPM)用不同的方法进行了43 694次观测，测得g的平均值为9.809 259 748m/s²，误差仅为±7.4E-8℅m/s²。

教师要求学生查看教材重力加速度表，在地球上找点、标值。找到当地纬度(合肥：31.87°)的接近地点，并了解重力加速度的大小变化规律。教师总结重力加速度的大小变化规律（地表附近）：

①在地球上的同一地点，一切物体的g值都相同，方向竖直向下（该结论是经过大量实验得出的）。

②在地球上的不同地方，g值略有不同，从赤道到两极，随着纬度的增大而增大。

③g的标准值：9.80665m/s²，通常值取：9.8m/s²，估算值取：10m/s²。

教师总结自由落体运动的性质，即初速度为零的匀加速直线运动，接着试问学生有没有测量g值的其它方法。

学生通过交流和讨论，提出测量g值的不同方法。

教师可将不同的方法用实物投影仪展出，先让学生做出可行性评价，然后进行方法指导。

教师引导学生从速度图像总结出自由落体的速度公式，即v=gt，然后板演匀速直线运动的v-t图像。

引导学生从匀速直线运动v-t图像中矩形面积对应位移出发，猜想自由落体运动v-t图像中的面积是否也表示相应时间内的位移。

教师用多媒体课件展示图像法和分割逼近的方法，从图像推导自由落体运动的位移公式，然后要求学生尝试写出h=gt²/2和画出位移时间图像。

学生根据速度公式和位移公式运用消元法推导自由落体运动的速度和位移的关系式。

教师进一步说明利用速度和位移的关系式分析和解决问题的方便之处。

设计意图：在地球上找点标值，记忆深刻，便于发现规律，培养学生的猜想能力、概括能力和表达能力。通过讨论g值的不同测量方法，让学生知道可以应用多种方法（如频闪照相、滴水等）尝试探究自由落体运动的规律。另外，引导学生从速度图像的面积来思考用乘积法表示位移，渗透微元和极限的思想，让学生体会物理与数学的密切关系。

（7）应用反馈

例1 一名攀岩运动员登上了陡峭的峰顶。他不小心碰落一块石头，经历8s后听到石头落地，不计空气阻力。试问：

① 石头在后4s内做 ( )

A.匀减速直线运动

B.匀加速直线运动

C.变加速直线运动

D.自由落体运动

② 峰顶距落地点的高度和落地时的速度大小为多少？

他两手各拿起一块质量不同的石头，两次采用不同方式从静止自由释放。

③ 从不同高度同时静止释放两石头，在它们均未落地之前，下列有关它们的说法正确的有（ ）

A.都做自由落体运动

B.在空中的间距保持不变

C.任一时刻速度相同

D.在空中的间距变大

④ 在同一高度先后静止释放两石头，下列有关说法正确的有（ ）

A.运动规律相同

B.落地所需的时间相等

C.落地速度相等

D.在空中的间距保持不变

设计意图：创设情境引导学生建立“从生活走向物理，从物理走向社会”的观念；采用“一题多问，一题多变”方式，培养学生的发散思维。

（8）课堂小结

教师引导学生先自己进行课堂总结，然后同学间交流。要求学生自己尝试写出自由落体运动的基本公式，并请学生板演。

学生总结：①自由落体运动的定义和条件②自由落体运动的加速度、性质和实验探究重力的加速度③自由落体运动的基本规律。

师：这节课我们采用先实验探究，后理论探究的思路研究了自由落体运动的基本规律，它是匀变速直线运动的特例，以后我们将研究一般的匀变速直线运动规律，希望同学们做好准备。

设计意图：启发学生掌握由特殊到一般的认识方法。

（9）学生探究实验

① 随堂探究：测量人的反应时间

a.如图3所示，让同学在你大拇指与食指之间的正上方捏住米尺，你大拇指与食指之间的距离保持在3cm左右，记下手指的初位置的刻度，注视米尺的动向。

b.你的同学在没有任何预告的情况下，突然放开米尺，你快速用两个手指夹住它，记下手指的终止位置的刻度。

c.记录你夹住的米尺的高度差，根据自由落体运动的规律，计算你的反应时间。

d.你与同学互换角色，重复以上步骤，比较反应快慢。

教师要求学生课后思考制作“测量人的反应时间标度尺”。

②课后探究：感受做自由落体运动的小铁球落地的节奏特点

a.取一根长2m左右的细线，5个穿孔小铁球和一个金属盘。在线端系第一个铁球，隔12cm再系一个，以后铁球之间距离为36cm、60cm、84cm，即铁球之间的距离为1∶3∶5∶7。

b.仍取2m左右的细线，5个穿孔小铁球。线端系第一个铁球，以后每隔48cm系一个，等间距分布。

c.站在椅子上，向上提起线的上端，让线自由垂下。松开手后，注意听各铁球落到金属盘上的声音节奏。请比较两种情况的声音间隔有什么不同。

设计意图：渗透测量转换的思想，把对极短时间的测量转换为对落差长度的测量，培养学生学以致用的能力；要求学生自制“人反应时间标度尺”，把时间和长度直接对应，培养学生用联系的观点思考问题；培养学生动手能力。

（10）作业

教材第52页“家庭作业与活动”：

① 月球表面附近重力加速度的大小约为地球表面附近重力加速度大小的1/6,在月球上空196m的高度让一套质量为60kg的仪器自由下落，它落到月球表面的时间是多少？

② 设计一个实验，不用卷尺，估测教学大楼4楼阳台离地面的高度。要求说明实验原理，列出所需器材，写出测量的物理量。

设计意图：练习巩固，给学生提供动手操作的机会。

9 教学反思

整个教学过程应围绕实验和理论探究展开，本节教学中的这两条主线不够清晰；可以尝试应用多种方法分小组，如频闪照相、滴水等探究小组；要对学生课外探究小实验进行指导等。

(栏目编辑赵保钢)