《自由落體運動》教學(xué)設(shè)計

谷春生

創(chuàng)新整合點

①通過seewo觸控一體機、筆記本電腦、調(diào)制解調(diào)器、傲軟投屏系統(tǒng)、手機等，輕松實現(xiàn)現(xiàn)場直播投屏。

②采用多媒體交互設(shè)備探究創(chuàng)新實驗，用蘋果手機慢鏡頭拍攝創(chuàng)新雙牛頓管演示儀，精彩回放，化瞬間現(xiàn)象為永恒，凸顯信息技術(shù)多媒體輔助教學(xué)強大優(yōu)勢。手機操作視頻條，成功實現(xiàn)慢鏡頭回播、倒播，實時觀察，準確定位觀察。學(xué)生觀察到了現(xiàn)實中觀察不到的細節(jié)，一目了然，凸顯了多媒體的魅力。

③通過多媒體交互設(shè)備，巧用手機傳感器測試自由落體加速度，實時記錄；手機顯示屏實時顯示，并通過現(xiàn)場直播方式在seewo觸控一體機顯示大屏上適時展示加速度—時間圖像，效果震撼。

教材分析

自由落體運動是勻變速直線運動的一種具體情形，本課是引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識解決生活中的實際問題。

學(xué)情分析

學(xué)生已學(xué)了勻變速直線運動規(guī)律，急需一次真正實踐去深刻理解勻變速直線運動規(guī)律，而對自由落體運動的研究，適應(yīng)了這一要求，讓學(xué)生的認識有進一步提高。

教學(xué)目標

知識與技能目標：了解自由落體運動概念；認識自由落體產(chǎn)生的條件；掌握自由落體運動規(guī)律。

過程與方法目標：采用探究式、啟發(fā)式、討論式組織教學(xué)，充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體的新課程教學(xué)理念。

情感態(tài)度與價值觀目標：突出主要矛盾，忽略次要因素建模；養(yǎng)成良好的思維表述習(xí)慣和實事求是、嚴謹?shù)目茖W(xué)價值觀。

教學(xué)環(huán)境與準備

教學(xué)環(huán)境：多媒體教室、seewo觸控一體機、筆記本電腦、調(diào)制解調(diào)器、傲軟投屏軟件、蘋果手機等。

儀器準備：改進教具牛頓管、抽氣機；相同紙片多張、光盤多張、硬幣多個、羽毛多根、橡皮多個、木棍多根、棉花團、剪刀；自制大厚膠木板、電火花打點計時器（帶墨粉紙盤）、紙帶、重錘、長刻度尺等。

教學(xué)過程

1.生活引入，揭示課題

師：請大家觀賞一個網(wǎng)傳視頻（人從高聳入云的鐵塔上落下），并思考：這是真的嗎？學(xué)完本節(jié)課的知識，我們就來揭秘它的真假。

設(shè)計意圖：采用生活情境激趣，激發(fā)學(xué)生探究欲望。

師（進一步啟發(fā)）：同學(xué)們，請大家欣賞生活中常見的下落運動—蘋果的落地、露珠的下落、雪花的飄落，還有見落葉而知秋……在這些下落的物理情境中，請大家思考：影響物體下落快慢的因素是什么呢？大膽猜想一下。

生1：輕重。

生2：空氣阻力。

生3：體積。

師：為什么呢？你們判定的依據(jù)是什么？

2.影響物體下落快慢的因素

探究一：猜測物體下落的快慢與哪些因素有關(guān)？

學(xué)生猜測物體下落的快慢與輕重、體積有關(guān)。

師：你們判定的依據(jù)是什么？下面自主探究。

教師出示PPT，讓學(xué)生自主選材，自主制作，設(shè)計實驗探究并交流討論，PPT截圖如圖1所示。

教師啟發(fā)學(xué)生回答。

師：哪些小組探究了與質(zhì)量的關(guān)系？

生1：我們組用重的橡皮和輕的硬幣同時下落，發(fā)現(xiàn)重的橡皮下落得快。

生2：我們組用兩張相同材質(zhì)的A4紙團成體積相同的紙球，在其中一個紙團中塞入一個硬幣，讓它們同時下落，發(fā)現(xiàn)重的物體比輕的物體下落得快。

師：很好，這一小組已經(jīng)會用控制變量法了，確保它們體積不變。

生3：我們組用兩張相同材質(zhì)的A4紙，一張完整的和一張A4紙剪成一半，顯然小的輕一些，將小的團成紙球，讓它們同時下落，發(fā)現(xiàn)輕的物體比重的物體下落得快。

師：很好，大家繼續(xù)思考—一會兒是重的下落得快，一會兒是輕的下落得快，看來物體下落的快慢與輕重可能沒有什么關(guān)系。

師：哪些小組探究了與體積的關(guān)系？

生4：我們組是把一張A4紙剪取四分之一，剪成一個小紙盒并糊好，與另一張完整的A4紙同時從相同高度釋放，發(fā)現(xiàn)體積小的小紙盒先落地。

師：很好，這也是創(chuàng)新的火花，我取一個大石塊和一個小羽毛，石塊的體積大，大家說誰先落地？

生：大石塊先落地。

師：體積大的先落地。一會兒是體積小的先落地，一會兒是體積大的先落地，看來物體下落的快慢與體積的關(guān)系還是比較復(fù)雜的，這勾起了我的探究欲望，讓我們通過一個實驗來探究一下吧。

設(shè)計意圖：利用生活中常見的物品自制教具，操作方便，實效明顯。通過實驗探究給學(xué)生提供實踐的機會，從而培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動手能力、分析綜合能力、團結(jié)協(xié)作能力、自主創(chuàng)新能力等。在有層次、有臺階的問題引領(lǐng)下，學(xué)生的思維逐步深入，螺旋式上升。

探究二：教師創(chuàng)新演示實驗探究。

師：這是兩個完全相同的光盤，相同質(zhì)量、體積。第一次從等高位置使光盤面水平，同時釋放；第二次從等高位置將光盤一個水平、一個豎直同時釋放，請大家觀察下落的情形。

學(xué)生仔細觀察后回答：兩個光盤平著放的同時落地；當光盤一個平著放、一個豎著放時，豎著放的先落地。

師：大家猜想一下，這又是為什么呢？

生：我感覺它們所受的阻力不同，立著放的所受的空氣阻力比較小。

設(shè)計意圖：通過創(chuàng)新設(shè)計，采用相同質(zhì)量、相同體積、大小形狀完全相同的光盤，是為了較好地運用控制變量法凸顯主要矛盾，使學(xué)生較順暢地猜想出與空氣阻力有關(guān)，這是最關(guān)鍵的一步。

師：很好！看來物體下落的快慢與物體所受到的阻力有很重大的關(guān)系，大家的認識漸漸與伽利略的認識吻合了。（過渡）讓我們回顧物理學(xué)史，看一看物理學(xué)家是怎么探究它們的？

介紹物理學(xué)史中最重要的兩種觀點：

亞里士多德的觀點—他觀察到石頭比羽毛下落快些，得出觀點：重的物體下落得快。

伽利略的觀點—他運用邏輯推理與探究實驗，得出觀點：重物與輕物下落得同樣快。

師：到底哪一種觀點是正確的呢？讓我們來看一下伽利略的精辟分析：如果亞里士多德的“重快輕慢”的觀點是正確的，不妨假設(shè)一輕一重兩塊石頭，大石頭的速度為“8”，小石頭的速度為“4”，當把兩塊石頭拴在一根繩的兩端，它們下落時，整體比大石頭要重，因此整體下落的速度應(yīng)該比8還要大；但是轉(zhuǎn)念一想，把兩塊石頭拴在一根繩的兩端，大石頭會被小石頭拖著而變慢，整個物體的下落速度應(yīng)該小于8。剛才分析整體速度大于8，現(xiàn)分析整體速度又小于8，這難道不是自相矛盾嗎？說明亞里士多德“重快輕慢”的看法是錯誤的。通過仔細分析，伽利略認為物體下落的運動只有一種可能性：重的不快，輕的也不慢，即輕、重不同的物體應(yīng)該下落得一樣快，如圖2所示。這是邏輯的力量。伽利略是比較嚴謹?shù)模笏滞ㄟ^一系列實驗進行了探究。

設(shè)計意圖：強調(diào)推理的力量、邏輯的力量。

師：伽利略的偉大發(fā)現(xiàn)—比薩斜塔實驗：傳說在1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“兩個鐵球同時落地”的著名實驗，從此推翻了亞里斯多德“物體下落速度和輕重成比例”的學(xué)說，糾正了這個持續(xù)了2000年之久的錯誤結(jié)論。伽利略的鐵球?qū)嶒灲沂玖寺潴w運動的秘密，那亞里士多德所認識的羽毛和石塊到底是怎么一回事呢？我們看看伽利略的認識。請大家繼續(xù)觀賞一段視頻并思考：為什么在空氣中下落的羽毛是這個形狀？這個形狀使你判斷出什么？

生：這個形狀使我判斷出羽毛所受到的阻力向上，而且比金屬塊大。

師：很好，這位同學(xué)根據(jù)這個形狀判斷出羽毛受到向上的空氣阻力，而且空氣阻力比較大。原來輕重不同的物體下落快慢不同是由于受到空氣阻力的緣故。

設(shè)計意圖：通過一波三折，環(huán)環(huán)相扣，逐步引導(dǎo)啟發(fā)，探究影響物體下落快慢的因素與什么有關(guān)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

師：如果沒有空氣阻力影響，輕重不同的物體下落快慢一定是相同的嗎？讓我們用一個更加精密的儀器來探究一下吧。這是一個牛頓管，仔細觀察實驗，思考為什么？

教師介紹牛頓管演示儀，然后介紹自制改進的實驗儀器（如圖3（a））。兩個牛頓管并行豎立便于觀察，頂部等高，黃色襯板便于觀察白色羽毛和鐵片，頂上的小磁鐵吸住了鐵片，同時鐵片壓住了羽毛。

演示操作：用抽氣機抽氣五分鐘，迅速移去頂部的磁鐵，確保兩管中羽毛和鐵片同時釋放，然后請一位學(xué)生用老師的手機慢動作錄像。

首先完成手機與電腦同步，當堂展示慢動作錄像如下：右側(cè)抽成近似真空，管中的白色羽毛和鐵片沒有分離，左側(cè)空氣管中的鐵片在下，羽毛在上，已經(jīng)分離了。而且右側(cè)管中的羽毛和鐵片整體下落得快一些，慢動作回放，一目了然，如圖3（b）所示。

設(shè)計意圖：通過seewo觸控一體機、筆記本電腦、調(diào)制解調(diào)器、傲軟投屏系統(tǒng)、蘋果手機等，輕松實現(xiàn)直播投屏，效果比較震撼。采用手機慢鏡頭拍攝，精彩回放，凸顯信息技術(shù)多媒體輔助教學(xué)的強大優(yōu)勢。

最后，教師鼓勵學(xué)生自主歸納總結(jié)：真空中物體同時落地，在真空中物體下落快慢與物體的輕重無關(guān)。

教師進一步分析伽利略創(chuàng)立的落體學(xué)說，并介紹落體學(xué)說的月球驗證。然后播放1971年阿波羅登月飛船上的宇航員大衛(wèi)·斯科特（David Scott）將一把錘子和一根羽毛帶上了月球，在沒有大氣的月球上做了有趣的落體試驗：錘子和羽毛同時落地。

師：影響落體運動快慢的因素是空氣阻力的作用，在沒有空氣阻力的情況下，輕、重不同的物體下落快慢相同。從此，伽利略創(chuàng)立了自由落體學(xué)說。

升華提升：愛因斯坦談伽利略的貢獻—伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學(xué)的真正開端……

3.自由落體運動（板書）

定義：（理想模型的構(gòu)建）物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動，叫做自由落體運動。

條件：從靜止開始下落（初速度為零）；只受重力作用（當空氣阻力同重力相比很小，可忽略不計，物體下落也可近似看作自由落體運動）。

師：剛才觀察到真空管中羽毛和鐵片整體下落得快那么一點點，說明當空氣阻力同重力相比很小時，可忽略不計，物體下落也可近似看作自由落體運動。

設(shè)計意圖：忽略次要因素，把握主要矛盾，抽象出自由落體理想模型，完成對學(xué)生方法論的教育。

探究三：自由落體運動是什么性質(zhì)的運動？

學(xué)生自主提出問題、科學(xué)猜想、設(shè)計方案、數(shù)據(jù)處理、交流討論，最后展示匯報。

學(xué)生通過實驗數(shù)據(jù)計算得出：

在誤差許可的范圍內(nèi)，相鄰的相等時間間隔的位移差都相等。

自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動。

北京地區(qū)自由落體運動的加速度約為9.79m/s2。

設(shè)計意圖：課堂以學(xué)生為主體，實驗學(xué)生自己做，問題學(xué)生自己提，探究方向?qū)W生自己定，設(shè)計方案學(xué)生自己出。真正以學(xué)生為中心，較好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新意識，進一步提升學(xué)生核心素養(yǎng)。

教師進一步闡述：自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動。

探究四：學(xué)以致用—動手做一做：用手機測自由落體加速度。

教師介紹現(xiàn)代手機都有一個較為先進的功能—內(nèi)置了一個傳感器，下載一個“phyphox”手機APP，便可以完成測試。

首先完成手機與電腦同步，演示探究操作如下。

師：該傳感器能測試直角坐標系xyz軸方向的加速度，我們可以讓手機只顯示z軸方向。顯示的效果如圖4所示，略去前端的干擾信號，當手機做自由落體運動時，加速度恒定，穩(wěn)定在-9.80m/s2這一數(shù)值（取豎直向上為正方向）。穩(wěn)定了多長時間？大家可以從手機中觀察，大約200～300ms左右，精確度還是比較高的。

設(shè)計意圖：該創(chuàng)新實驗借用現(xiàn)代高科技傳感器，通過多媒體交互設(shè)備，手機傳感器實時記錄，手機顯示屏實時顯示，并通過現(xiàn)場直播方式在seewo觸控一體機顯示大屏上適時展示加速度—時間圖像，圖像顯示自由落體加速度a=-9.80m/s2，收到了較好的教學(xué)效果。學(xué)生興趣高漲，一個個躍躍欲試。隨即布置探究作業(yè)，放學(xué)回家用手機自主探究測自由落體加速度。

4.自由落體運動規(guī)律

自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，其運動規(guī)律：v=gt? h=1-2gt2。

教師讓學(xué)生把視頻看完，會發(fā)現(xiàn)丹麥游樂場體驗項目“人從100米高空中自由下落”，它是真實的。

師：它是我們這節(jié)課自由落體運動知識的應(yīng)用，請大家思考：這位探險者將是一種什么樣的感覺？

生：害怕、驚險、刺激、痛苦……

師：告訴大家，他是一種“飄飄然”的非常美妙的感覺，他處于完全失重狀態(tài)。這個問題我們在不久之后進行學(xué)習(xí)。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生帶著問題離開課堂，可激發(fā)學(xué)生進一步的探究欲望。

教學(xué)反思

《自由落體運動》以創(chuàng)設(shè)問題情境為出發(fā)點，以實驗探究為主線，層層設(shè)疑，激發(fā)學(xué)生認知沖突，實現(xiàn)在生生、師生思維的碰撞中產(chǎn)生火花，有效推進教學(xué)。學(xué)生分組探究熱情高漲，在匯報成果時充分暴露自己的迷思概念，在師生、生生融洽的討論中逐步感悟、提升，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。本課特色如下：

“真”關(guān)注：真正關(guān)注學(xué)生的知識儲備、思維特點、生活經(jīng)驗。情境的創(chuàng)設(shè)從學(xué)生身邊熟悉的現(xiàn)象開始——學(xué)生做實驗，親身體驗，觀察下落的快慢。問題的提出，從學(xué)生自發(fā)生成的疑問開始，有效地將學(xué)生的思維引導(dǎo)到對問題的討論上來，催生了學(xué)生學(xué)習(xí)的自發(fā)動力。

“真”為主：課堂以學(xué)生為主體，實驗學(xué)生自己做，問題學(xué)生自己提，探究方向?qū)W生自己定。在利用打點計時器探究“自由落體的運動性質(zhì)”時，由學(xué)生自己設(shè)計實驗、操作、處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。這種課堂教學(xué)真正以學(xué)生為主的做法，使學(xué)生經(jīng)歷并實踐了探究物理問題的科學(xué)方法，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。

“真”探究：在教學(xué)過程中，每遇到問題需要探究的環(huán)節(jié)，放開約束，將活動的時間與空間交給學(xué)生，充分地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生的身心主動參與到課堂中來：用自制創(chuàng)新大型實驗教具“雙牛頓管”進行探究，采用手機慢鏡頭拍攝，精彩回放，把瞬間現(xiàn)象化為永恒，使“探究”真正發(fā)生。學(xué)生分組探究熱情高，在匯報時積極主動，大膽表達自己的想法和意見，暴露出的迷思概念是難得的教學(xué)資源，表達出的合理觀點彰顯了探究對學(xué)生觀念構(gòu)建的有效，這種經(jīng)歷體驗得到逐步感悟、提升，潛移默化地培養(yǎng)了學(xué)生的核心素養(yǎng)，凸顯了實驗教學(xué)的涵養(yǎng)特色。