《自由落體運(yùn)動的規(guī)律》探究式教學(xué)設(shè)計(jì)

陸鑄華

1 教材分析

落體運(yùn)動是日常生活中常見的現(xiàn)象。其中，自由落體運(yùn)動在高中物理教學(xué)中具有重要的地位。探究物體運(yùn)動的規(guī)律， 實(shí)質(zhì)上是尋找描述運(yùn)動的各物理量（位移、速度、時(shí)間、加速度等）之間的關(guān)系，《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（試行）》要求學(xué)生能從圖像和公式兩個(gè)角度探究物體運(yùn)動的規(guī)律。滬科版教材采用了由特殊到一般的思路，即先探究自由落體運(yùn)動的規(guī)律，再推廣到勻變速直線運(yùn)動的一般規(guī)律。

2 學(xué)情分析

學(xué)生對落體運(yùn)動已有的認(rèn)識是教師開展探究式教學(xué)的起點(diǎn)。在知識結(jié)構(gòu)上，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了描述運(yùn)動的物理量，運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究物體運(yùn)動，測量運(yùn)動物體的加速度；從知識建構(gòu)的心理角度看，學(xué)生在上節(jié)課經(jīng)歷了“伽利略的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅”，領(lǐng)會了其科學(xué)探究的思想方法后，自然希望繼續(xù)對自由落體運(yùn)動的規(guī)律進(jìn)行深入探究。為此，本節(jié)課采用學(xué)生自主組合探究小組的形式，進(jìn)行合作學(xué)習(xí)。

3 設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)，方法承上：運(yùn)用伽利略的科學(xué)思想方法深入探究自由落體運(yùn)動的規(guī)律；知識啟下：自由落體運(yùn)動的規(guī)律是勻變速直線運(yùn)動的特例，學(xué)好它為后續(xù)學(xué)習(xí)勻變速直線運(yùn)動的規(guī)律打下基礎(chǔ)。因此，先應(yīng)用伽利略對落體運(yùn)動的研究結(jié)論得出自由落體運(yùn)動的概念和條件，然后指導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)和理論探究,分析其規(guī)律，即實(shí)驗(yàn)探究其速度變化規(guī)律，由速度圖像求出斜率得到重力加速度大小和速度公式，再根據(jù)勻速直線運(yùn)動速度圖像中的面積對應(yīng)位移，運(yùn)用分割和逼近的處理方法得出位移公式，再由消元法推導(dǎo)出速度位移公式，最后設(shè)計(jì)典型例題訓(xùn)練反饋。此外，還設(shè)計(jì)了學(xué)生隨堂實(shí)驗(yàn)（測量人的反應(yīng)時(shí)間）和課外探究（感受做自由落體運(yùn)動的小鐵球落地的節(jié)奏特點(diǎn)）。本節(jié)課的特點(diǎn)是滲透物理學(xué)的研究方法，即運(yùn)用實(shí)驗(yàn)探究和理論探究研究問題，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，激發(fā)探究興趣。

4 教學(xué)重點(diǎn)

(1) 探究自由落體運(yùn)動的規(guī)律。

(2) 滲透物理學(xué)的研究方法：實(shí)驗(yàn)探究和數(shù)學(xué)方法（圖像）研究物理問題。

5 教學(xué)難點(diǎn)

探究自由落體運(yùn)動規(guī)律的過程。

6 教學(xué)目標(biāo)

（1）知道自由落體運(yùn)動是理想化的物理模型，理解自由落體運(yùn)動的條件和性質(zhì)。

（2）掌握重力加速度的概念，經(jīng)歷探究重力加速度的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

（3）會利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪圖像，并結(jié)合勻速直線運(yùn)動的特點(diǎn)推出自由落體運(yùn)動規(guī)律。

（4）理解自由落體運(yùn)動的規(guī)律并能夠運(yùn)用其解決簡單的實(shí)際問題。

（5）通過指導(dǎo)學(xué)生探究，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作意識，初步了解探索自然規(guī)律的科學(xué)方法。

7 教具準(zhǔn)備

多媒體課件（展示圖像法和分割逼近思想等）、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、鐵架臺、紙帶、電源、重錘、導(dǎo)線若干等。

8 教學(xué)過程

（1）準(zhǔn)備

教師提供打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等器材，提出合作的要求；學(xué)生自愿組合成若干小組，討論與交流，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表。

設(shè)計(jì)意圖：開展合作學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，突出學(xué)生主體地位和教師主導(dǎo)作用。

（2）引入新課

師：伽利略在研究自由落體運(yùn)動時(shí)忽略了什么因素？

生：忽略了空氣阻力的影響。

師：伽利略的研究抓住了問題的本質(zhì)，建立了一個(gè)理想化的物理模型。

設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)提問調(diào)動了學(xué)生思維的積極性，容易引起學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的注意，滲透物理模型的教育，同時(shí)為自由落體運(yùn)動條件的學(xué)習(xí)做鋪墊。

（3）教學(xué)過渡

師：伽利略研究落體運(yùn)動得出了什么結(jié)論？我們怎樣利用已學(xué)過的知識和方法探究自由落體運(yùn)動的規(guī)律？

生：落體運(yùn)動下落的距離與時(shí)間的平方成正比，落體運(yùn)動是勻加速直線運(yùn)動。我們可以結(jié)合上一章所學(xué)，即怎樣描述物體運(yùn)動的快慢和怎樣描述物體速度變化的快慢的方法，探究自由落體運(yùn)動的規(guī)律。

教師進(jìn)一步啟發(fā)：從落體運(yùn)動的軌跡看加速度方向，為豎直向下；判斷自由落體運(yùn)動為勻加速直線的關(guān)鍵是探究其加速度的大小是否恒定。然后，指導(dǎo)學(xué)生分析做自由落體運(yùn)動的條件，說明這種運(yùn)動只在真空中才能發(fā)生。

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小紙團(tuán)受到的空氣阻力較小時(shí)和橡皮塊同時(shí)落地。

教師說明條件的實(shí)際意義：如果空氣阻力小到可以忽略阻力，物體的下落就近似看作自由落體運(yùn)動。

設(shè)計(jì)意圖：抓住學(xué)生的知識最近發(fā)展區(qū)，激發(fā)學(xué)生的求知欲；培養(yǎng)學(xué)生嘗試用已知探究未知的能力，在明確探究實(shí)驗(yàn)的目的和原理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步讓學(xué)生親自動手操作，創(chuàng)造開展探究活動的條件。

（4）課堂探究實(shí)驗(yàn)

例：運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，探究自由落體運(yùn)動的加速度。

教師強(qiáng)調(diào)做好實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是控制條件。

① 將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺上；

② 手提著紙帶，使重物靜止在靠近計(jì)時(shí)器的下方；

③ 先接通電源再松開紙帶，重復(fù)實(shí)驗(yàn)幾次；

④ 實(shí)驗(yàn)前設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄的表格；

⑤ 通過數(shù)據(jù)處理分析自由落體運(yùn)動是否為勻加速直線運(yùn)動。

（5）數(shù)據(jù)處理

① 數(shù)據(jù)列表② 建立坐標(biāo)系 ③ 描點(diǎn)④ 猜想分析 ⑤ 繪制圖像⑥ 發(fā)現(xiàn)規(guī)律

教師展示并分析學(xué)生處理數(shù)據(jù)的正誤實(shí)例，總結(jié)自由落體運(yùn)動的速度圖像和規(guī)律（速度圖像如圖2），要求測出其加速度。

設(shè)計(jì)意圖：圖像是分析物理問題的重要方法，引導(dǎo)學(xué)生從速度圖像的斜率思考用比值法定義加速度。

（6）理論推導(dǎo)規(guī)律

師：測量值與當(dāng)?shù)刂担ê戏?9.793 3m/s²）相比，是偏大還是偏小？其原因是什么？小組之間比較測量結(jié)果。

生：實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于存在空氣阻力以及紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的摩擦，因此造成測量值偏小。若不考慮這些因素影響，在同一地點(diǎn)測量值應(yīng)該相同。

教師講解自由落體加速度的定義。它是由重力產(chǎn)生的，所以又叫重力加速度，用g表示，方向豎直向下，大小約為9.8m/s²。g是一個(gè)重要的地球物理常數(shù)，準(zhǔn)確地測定它的量值在計(jì)量學(xué)、地球物理學(xué)、地震預(yù)報(bào)、重力探礦等都具有重要意義。我國是能夠準(zhǔn)確測量g值的幾個(gè)國家之一。1989年，包括我國在內(nèi)的十個(gè)國家，在國際計(jì)量局（BIPM)用不同的方法進(jìn)行了43 694次觀測，測得g的平均值為9.809 259 748m/s²，誤差僅為±7.4E-8℅m/s²。

教師要求學(xué)生查看教材重力加速度表，在地球上找點(diǎn)、標(biāo)值。找到當(dāng)?shù)鼐暥?合肥：31.87°)的接近地點(diǎn)，并了解重力加速度的大小變化規(guī)律。教師總結(jié)重力加速度的大小變化規(guī)律（地表附近）：

①在地球上的同一地點(diǎn)，一切物體的g值都相同，方向豎直向下（該結(jié)論是經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)得出的）。

②在地球上的不同地方，g值略有不同，從赤道到兩極，隨著緯度的增大而增大。

③g的標(biāo)準(zhǔn)值：9.80665m/s²，通常值?。?.8m/s²，估算值取：10m/s²。

教師總結(jié)自由落體運(yùn)動的性質(zhì)，即初速度為零的勻加速直線運(yùn)動，接著試問學(xué)生有沒有測量g值的其它方法。

學(xué)生通過交流和討論，提出測量g值的不同方法。

教師可將不同的方法用實(shí)物投影儀展出，先讓學(xué)生做出可行性評價(jià)，然后進(jìn)行方法指導(dǎo)。

教師引導(dǎo)學(xué)生從速度圖像總結(jié)出自由落體的速度公式，即v=gt，然后板演勻速直線運(yùn)動的v-t圖像。

引導(dǎo)學(xué)生從勻速直線運(yùn)動v-t圖像中矩形面積對應(yīng)位移出發(fā)，猜想自由落體運(yùn)動v-t圖像中的面積是否也表示相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的位移。

教師用多媒體課件展示圖像法和分割逼近的方法，從圖像推導(dǎo)自由落體運(yùn)動的位移公式，然后要求學(xué)生嘗試寫出h=gt²/2和畫出位移時(shí)間圖像。

學(xué)生根據(jù)速度公式和位移公式運(yùn)用消元法推導(dǎo)自由落體運(yùn)動的速度和位移的關(guān)系式。

教師進(jìn)一步說明利用速度和位移的關(guān)系式分析和解決問題的方便之處。

設(shè)計(jì)意圖：在地球上找點(diǎn)標(biāo)值，記憶深刻，便于發(fā)現(xiàn)規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的猜想能力、概括能力和表達(dá)能力。通過討論g值的不同測量方法，讓學(xué)生知道可以應(yīng)用多種方法（如頻閃照相、滴水等）嘗試探究自由落體運(yùn)動的規(guī)律。另外，引導(dǎo)學(xué)生從速度圖像的面積來思考用乘積法表示位移，滲透微元和極限的思想，讓學(xué)生體會物理與數(shù)學(xué)的密切關(guān)系。

（7）應(yīng)用反饋

例1 一名攀巖運(yùn)動員登上了陡峭的峰頂。他不小心碰落一塊石頭，經(jīng)歷8s后聽到石頭落地，不計(jì)空氣阻力。試問：

① 石頭在后4s內(nèi)做 ( )

A.勻減速直線運(yùn)動

B.勻加速直線運(yùn)動

C.變加速直線運(yùn)動

D.自由落體運(yùn)動

② 峰頂距落地點(diǎn)的高度和落地時(shí)的速度大小為多少？

他兩手各拿起一塊質(zhì)量不同的石頭，兩次采用不同方式從靜止自由釋放。

③ 從不同高度同時(shí)靜止釋放兩石頭，在它們均未落地之前，下列有關(guān)它們的說法正確的有（ ）

A.都做自由落體運(yùn)動

B.在空中的間距保持不變

C.任一時(shí)刻速度相同

D.在空中的間距變大

④ 在同一高度先后靜止釋放兩石頭，下列有關(guān)說法正確的有（ ）

A.運(yùn)動規(guī)律相同

B.落地所需的時(shí)間相等

C.落地速度相等

D.在空中的間距保持不變

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生建立“從生活走向物理，從物理走向社會”的觀念；采用“一題多問，一題多變”方式，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。

（8）課堂小結(jié)

教師引導(dǎo)學(xué)生先自己進(jìn)行課堂總結(jié)，然后同學(xué)間交流。要求學(xué)生自己嘗試寫出自由落體運(yùn)動的基本公式，并請學(xué)生板演。

學(xué)生總結(jié)：①自由落體運(yùn)動的定義和條件②自由落體運(yùn)動的加速度、性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)探究重力的加速度③自由落體運(yùn)動的基本規(guī)律。

師：這節(jié)課我們采用先實(shí)驗(yàn)探究，后理論探究的思路研究了自由落體運(yùn)動的基本規(guī)律，它是勻變速直線運(yùn)動的特例，以后我們將研究一般的勻變速直線運(yùn)動規(guī)律，希望同學(xué)們做好準(zhǔn)備。

設(shè)計(jì)意圖：啟發(fā)學(xué)生掌握由特殊到一般的認(rèn)識方法。

（9）學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)

① 隨堂探究：測量人的反應(yīng)時(shí)間

a.如圖3所示，讓同學(xué)在你大拇指與食指之間的正上方捏住米尺，你大拇指與食指之間的距離保持在3cm左右，記下手指的初位置的刻度，注視米尺的動向。

b.你的同學(xué)在沒有任何預(yù)告的情況下，突然放開米尺，你快速用兩個(gè)手指夾住它，記下手指的終止位置的刻度。

c.記錄你夾住的米尺的高度差，根據(jù)自由落體運(yùn)動的規(guī)律，計(jì)算你的反應(yīng)時(shí)間。

d.你與同學(xué)互換角色，重復(fù)以上步驟，比較反應(yīng)快慢。

教師要求學(xué)生課后思考制作“測量人的反應(yīng)時(shí)間標(biāo)度尺”。

②課后探究：感受做自由落體運(yùn)動的小鐵球落地的節(jié)奏特點(diǎn)

a.取一根長2m左右的細(xì)線，5個(gè)穿孔小鐵球和一個(gè)金屬盤。在線端系第一個(gè)鐵球，隔12cm再系一個(gè)，以后鐵球之間距離為36cm、60cm、84cm，即鐵球之間的距離為1∶3∶5∶7。

b.仍取2m左右的細(xì)線，5個(gè)穿孔小鐵球。線端系第一個(gè)鐵球，以后每隔48cm系一個(gè)，等間距分布。

c.站在椅子上，向上提起線的上端，讓線自由垂下。松開手后，注意聽各鐵球落到金屬盤上的聲音節(jié)奏。請比較兩種情況的聲音間隔有什么不同。

設(shè)計(jì)意圖：滲透測量轉(zhuǎn)換的思想，把對極短時(shí)間的測量轉(zhuǎn)換為對落差長度的測量，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力；要求學(xué)生自制“人反應(yīng)時(shí)間標(biāo)度尺”，把時(shí)間和長度直接對應(yīng)，培養(yǎng)學(xué)生用聯(lián)系的觀點(diǎn)思考問題；培養(yǎng)學(xué)生動手能力。

（10）作業(yè)

教材第52頁“家庭作業(yè)與活動”：

① 月球表面附近重力加速度的大小約為地球表面附近重力加速度大小的1/6,在月球上空196m的高度讓一套質(zhì)量為60kg的儀器自由下落，它落到月球表面的時(shí)間是多少？

② 設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，不用卷尺，估測教學(xué)大樓4樓陽臺離地面的高度。要求說明實(shí)驗(yàn)原理，列出所需器材，寫出測量的物理量。

設(shè)計(jì)意圖：練習(xí)鞏固，給學(xué)生提供動手操作的機(jī)會。

9 教學(xué)反思

整個(gè)教學(xué)過程應(yīng)圍繞實(shí)驗(yàn)和理論探究展開，本節(jié)教學(xué)中的這兩條主線不夠清晰；可以嘗試應(yīng)用多種方法分小組，如頻閃照相、滴水等探究小組；要對學(xué)生課外探究小實(shí)驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)等。

(欄目編輯趙保鋼)