資源簡介

2.4《自由落體運動》課時教案
學(xué)科 物理 年級冊別 高一上冊 共1課時
教材 粵教版高中物理必修第一冊 授課類型 新授課 第1課時
教材分析
教材分析
本節(jié)內(nèi)容位于粵教版高中物理必修第一冊第二章“勻變速直線運動”的第四節(jié)，是學(xué)生在學(xué)習(xí)了勻變速直線運動基本規(guī)律后對特殊情形的深入探究。自由落體運動作為初速度為零、加速度為g的勻加速直線運動的典型實例，具有承上啟下的作用。教材通過伽利略的研究歷程引入，強調(diào)科學(xué)思維的發(fā)展過程，并借助實驗與理論推導(dǎo)相結(jié)合的方式建立自由落體運動模型，突出物理學(xué)科“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念。
學(xué)情分析
高一學(xué)生已具備初步的邏輯推理能力和實驗觀察能力，掌握了位移、速度、加速度等基本概念及勻變速直線運動的基本公式。但受日常經(jīng)驗影響，普遍存在“重物下落快、輕物下落慢”的前概念誤區(qū)。學(xué)生的抽象思維仍處于發(fā)展階段，對理想化模型（如忽略空氣阻力）的理解存在一定困難。此外，部分學(xué)生在數(shù)據(jù)處理和圖像分析方面能力較弱。因此教學(xué)中需通過直觀實驗打破錯誤認(rèn)知，利用數(shù)字化實驗手段增強感知，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“提出問題—猜想假設(shè)—實驗驗證—歸納結(jié)論”的完整探究過程，實現(xiàn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。
課時教學(xué)目標(biāo)
物理觀念
1. 理解自由落體運動的概念，知道其是初速度為零、只受重力作用下的豎直向下勻加速直線運動。
2. 掌握自由落體加速度g的大小、方向及其在地球不同位置的變化規(guī)律，能運用勻變速直線運動公式解決自由落體相關(guān)計算問題。
科學(xué)思維
1. 通過對比不同物體下落實驗現(xiàn)象，學(xué)會控制變量法進(jìn)行科學(xué)探究，能夠辨析并糾正“質(zhì)量影響下落快慢”的常見誤解。
2. 能夠?qū)嶋H下落過程抽象為理想化的自由落體模型，理解模型建構(gòu)在物理學(xué)研究中的重要意義。
科學(xué)探究
1. 經(jīng)歷設(shè)計并操作“光電門測自由落體加速度”或“打點計時器記錄自由落體運動”的實驗過程，掌握測量重力加速度的基本方法。
2. 能對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制v-t圖像，通過斜率求解g值，并評估實驗誤差來源。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任
1. 感悟伽利略敢于挑戰(zhàn)權(quán)威、堅持實證精神的科學(xué)品質(zhì)，在探究過程中培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度。
2. 認(rèn)識自由落體規(guī)律在生活實踐（如高空作業(yè)安全、體育跳高）和技術(shù)應(yīng)用（如重力勘探、航天返回艙著陸）中的價值，增強社會責(zé)任意識。
教學(xué)重點、難點
重點
1. 自由落體運動的定義、條件及其運動規(guī)律（v=gt, h= gt , v =2gh）。
2. 重力加速度g的物理意義、數(shù)值特征及方向。
難點
1. 理解自由落體運動是一種理想化模型，明確“只受重力”這一前提條件的實際含義。
2. 實驗中如何準(zhǔn)確測量時間與位移，并通過數(shù)據(jù)分析得出g值，理解系統(tǒng)誤差與偶然誤差的影響。
教學(xué)方法與準(zhǔn)備
教學(xué)方法
情境探究法、實驗探究法、講授法、合作學(xué)習(xí)
教具準(zhǔn)備
真空管裝置（牛頓管）、金屬片與羽毛、手機慢動作攝像功能、光電門+數(shù)字計時器、小鋼球、刻度尺、打點計時器、紙帶、多媒體課件
教學(xué)環(huán)節(jié) 教師活動 學(xué)生活動
情景導(dǎo)入，破除迷思
【6分鐘】 一、生活現(xiàn)象引發(fā)認(rèn)知沖突 （一）、展示兩個明顯不同的物體同時下落：
教師手持一張A4紙和一本物理課本，站在講臺前，向全班提問：“如果我現(xiàn)在讓它們從同一高度同時釋放，誰會先落地？”絕大多數(shù)學(xué)生會回答“課本先落地”。接著教師演示：第一次，平放紙張與課本同時松手——課本迅速落地，紙張緩慢飄落；第二次，將紙張揉成緊密的小團，再與課本同時釋放——兩者幾乎同時落地。此時學(xué)生中出現(xiàn)驚訝與討論聲。
追問：“為什么同樣是這張紙，展開時落得慢，揉成團就和書差不多快？這說明下落快慢真的只取決于輕重嗎？”引導(dǎo)學(xué)生意識到空氣阻力可能起到了關(guān)鍵作用。
二、歷史回眸揭示科學(xué)精神 （二）、講述伽利略比薩斜塔實驗的傳說與真實探索：
“早在四百多年前，意大利科學(xué)家伽利略就曾面對同樣的困惑。當(dāng)時人們普遍信奉亞里士多德的觀點——‘物體越重，下落越快’。但伽利略沒有盲從權(quán)威，他通過思想實驗指出其內(nèi)在矛盾：若將一個重球和一個輕球綁在一起下落，按亞里士多德理論，整體更重應(yīng)下落更快；但從另一個角度看，輕球會拖慢重球，導(dǎo)致整體下落速度介于兩者之間——這就產(chǎn)生了邏輯悖論。”
播放一段30秒動畫視頻，模擬伽利略在斜面上滾球?qū)嶒灥倪^程，解釋他為何采用“沖淡重力”的方式減緩運動以便測量。“正是這種質(zhì)疑精神與嚴(yán)謹(jǐn)推理，開啟了近代科學(xué)的大門。今天，我們也來做一次小小伽利略，親自揭開自由落體的秘密。” 1. 觀察實驗現(xiàn)象，思考并回答問題。
2. 參與討論，表達(dá)自己對下落快慢的看法。
3. 聽取伽利略的故事，感受科學(xué)探究的精神。
4. 明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)與目標(biāo)。
評價任務(wù) 現(xiàn)象描述：☆☆☆
觀點表達(dá)：☆☆☆
興趣激發(fā)：☆☆☆
設(shè)計意圖 通過反直覺實驗制造認(rèn)知失衡，激發(fā)探究欲望；結(jié)合科學(xué)史滲透STS教育，讓學(xué)生體會科學(xué)發(fā)展的曲折性與實證精神的重要性，為后續(xù)建立理想模型做好心理鋪墊。
實驗探究，建構(gòu)模型
【18分鐘】 一、理想環(huán)境驗證：真空管實驗 （一）、演示牛頓管實驗，排除空氣干擾：
教師取出預(yù)先準(zhǔn)備好的真空玻璃管（內(nèi)含金屬片與羽毛），先不抽氣，將其豎直倒置，讓學(xué)生觀察金屬片快速落下而羽毛緩緩飄落的現(xiàn)象。然后連接抽氣機，將管內(nèi)空氣逐漸抽出至接近真空狀態(tài)，再次倒置試管。此時學(xué)生清晰看到：金屬片與羽毛幾乎同步下落到底部！教室里響起一片驚嘆聲。
引導(dǎo)提問：“剛才還在天上慢慢飛的羽毛，現(xiàn)在怎么跟鐵片一樣快了？這說明什么？”鼓勵學(xué)生總結(jié)：“當(dāng)沒有空氣阻力時，所有物體無論輕重，下落快慢相同。”教師順勢引出“自由落體運動”的定義：物體僅在重力作用下從靜止開始下落的運動，叫做自由落體運動。強調(diào)“僅在重力作用”是核心條件。
二、真實世界測量：小組合作實驗 （二）、分組開展光電門測g實驗：
將學(xué)生分為六組，每組配備一套光電門+數(shù)字計時器+支架+小鋼球+游標(biāo)卡尺。教師講解實驗原理：讓小球從固定高度h自由下落，穿過上下兩個間距為d的光電門，儀器自動記錄通過兩門的時間t 和t ，從而計算出初末速度v =d/t , v =d/t ，再根據(jù)v - v = 2gh求得g值。
發(fā)放實驗記錄表，明確操作步驟：①調(diào)節(jié)支架使兩光電門中心在同一豎直線；②用刻度尺測量兩門間距離d；③確定釋放點高度h（從球心到上光電門中心）；④多次釋放小球取平均時間以減少誤差。教師巡視指導(dǎo)，提醒注意安全，防止鋼球滾落傷人。
各組完成三次測量后，匯總數(shù)據(jù)至黑板表格，共同計算g的平均值。發(fā)現(xiàn)結(jié)果約為9.78 m/s ，略小于標(biāo)準(zhǔn)值9.8 m/s 。引導(dǎo)學(xué)生分析誤差原因：光電門響應(yīng)延遲、空氣微小阻力、釋放瞬間初速不為零等。 1. 觀察真空管實驗，記錄現(xiàn)象差異。
2. 分組動手操作光電門系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)。
3. 計算各自小組的g值并參與全班匯總。
4. 分析實驗誤差，提出改進(jìn)建議。
評價任務(wù) 現(xiàn)象觀察：☆☆☆
操作規(guī)范：☆☆☆
數(shù)據(jù)分析：☆☆☆
設(shè)計意圖 通過理想實驗確立規(guī)律本質(zhì)，再通過真實實驗獲得感性認(rèn)識與定量結(jié)果，體現(xiàn)“理論—實踐—再理論”的科學(xué)方法。小組合作提升協(xié)作能力，數(shù)據(jù)分析培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，誤差討論深化對測量本質(zhì)的理解。
規(guī)律提煉，深化理解
【12分鐘】 一、數(shù)學(xué)建模推導(dǎo)運動規(guī)律 （一）、類比勻變速運動公式進(jìn)行遷移：
教師在黑板上列出勻變速直線運動三大公式：
v = v + at
x = v t + at
v - v = 2ax
提問：“自由落體運動是否符合這些規(guī)律？它的初速度v 是多少？加速度a又是什么？”引導(dǎo)學(xué)生回答：v = 0，a = g（重力加速度），方向豎直向下。于是將上述公式代入得到自由落體專用公式：
v = gt
h = gt
v = 2gh
強調(diào)g是一個常量，在地球表面通常取9.8 m/s ，粗略計算可取10 m/s 。指出g的方向始終豎直向下，與運動方向無關(guān)。
二、拓展認(rèn)知邊界：g值的地域差異 （二）、展示全球重力加速度分布圖：
多媒體投影一幅彩色地圖，顯示地球上不同緯度地區(qū)的g值變化情況。可以看到赤道附近g≈9.780 m/s ，兩極地區(qū)g≈9.832 m/s 。提問：“為什么會有這樣的差異？”引導(dǎo)學(xué)生回憶地球自轉(zhuǎn)知識：地球并非完美球體，而是赤道略鼓、兩極稍扁的橢球體，且自轉(zhuǎn)導(dǎo)致赤道處離心效應(yīng)更強，故重力偏小。
補充說明：海拔越高，g越小；地下礦藏密度異常也會影響局部g值，地質(zhì)勘探中常用重力儀探測油田或空洞。讓學(xué)生感受到物理規(guī)律不僅存在于課堂，更活躍在廣闊天地之中。 1. 回憶勻變速公式，參與公式推導(dǎo)。
2. 理解并記憶自由落體三大公式。
3. 觀察g值分布圖，思考地域差異原因。
4. 聯(lián)系地理知識，理解g變化的物理機制。
評價任務(wù) 公式推導(dǎo)：☆☆☆
概念理解：☆☆☆
聯(lián)系實際：☆☆☆
設(shè)計意圖 通過知識遷移降低學(xué)習(xí)難度，強化公式的適用條件；引入g的空間變化拓寬視野，打破“g處處相等”的片面認(rèn)識，體現(xiàn)物理與地理、工程技術(shù)的交叉融合，提升綜合思維水平。
應(yīng)用遷移，解決問題
【6分鐘】 一、基礎(chǔ)應(yīng)用：計算下落時間與速度 （一）、例題示范：屋檐滴水問題
題目呈現(xiàn)：某住宅樓屋檐距地面高度為4.9米，雨滴從屋檐由靜止滴落，忽略空氣阻力，求雨滴落地所需時間和落地瞬間的速度。（取g=9.8 m/s ）
教師板書解題過程：
已知：h = 4.9 m, g = 9.8 m/s , v = 0
由 h = gt 得 t = 2h/g = (2×4.9)/9.8 = 1 → t = 1 s
由 v = gt = 9.8 × 1 = 9.8 m/s
答：雨滴落地時間為1秒，速度為9.8 m/s。
強調(diào)單位統(tǒng)一與公式選擇依據(jù)。
二、情境延伸：生活中的自由落體 （二）、提問啟發(fā)：現(xiàn)實中的近似自由落體
“我們生活中有哪些運動可以近似看作自由落體？”引導(dǎo)學(xué)生舉例：蘋果從樹上掉落、跳傘運動員開傘前的下降階段、蹦極起跳后的初始階段等。
進(jìn)一步設(shè)問：“若你在高樓邊緣不小心掉落一支筆，樓下行人抬頭看到筆才反應(yīng)躲避，來得及嗎？”給出數(shù)據(jù)：樓層高20米，人反應(yīng)時間約0.5秒。讓學(xué)生估算下落時間t==≈2s > 0.5s，說明理論上有機會躲開，但極其危險。
借此進(jìn)行安全教育：“高空拋物危害極大，哪怕是一枚雞蛋，從十樓落下也可能致人死亡。請同學(xué)們珍愛生命，杜絕高空拋物。” 1. 跟隨教師思路，完成例題演算。
2. 思考并列舉生活中的自由落體現(xiàn)象。
3. 參與安全情境討論，估算反應(yīng)時間。
4. 建立物理知識與生活安全的聯(lián)系。
評價任務(wù) 公式應(yīng)用：☆☆☆
情境聯(lián)想：☆☆☆
安全意識：☆☆☆
設(shè)計意圖 通過典型例題鞏固公式使用，提升計算能力；聯(lián)系生活實際增強知識實用性；借物理規(guī)律進(jìn)行生命教育，落實“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”目標(biāo)，實現(xiàn)育人價值升華。
課堂總結(jié)，情感升華
【3分鐘】 一、結(jié)構(gòu)化回顧核心知識 （一）、師生共同梳理本課主線：
“今天我們沿著伽利略的足跡，經(jīng)歷了一場思想與實驗的旅程。我們發(fā)現(xiàn)：在沒有空氣阻力的理想條件下，一切物體都以相同的加速度g自由下落——這是大自然簡潔而深刻的法則之一。我們學(xué)會了用v=gt、h= gt 、v =2gh這三個公式描述它，也知道了g≈9.8m/s ，方向豎直向下，且隨緯度和海拔略有變化。”
二、激勵性結(jié)語致敬科學(xué)先驅(qū) （二）、引用愛因斯坦評價伽利略：
“伽利略的偉大之處，不在于他發(fā)現(xiàn)了什么，而在于他開創(chuàng)了一種全新的科學(xué)研究方法——用實驗檢驗假說。”當(dāng)我們仰望星空，看到航天器精準(zhǔn)返回地球，或是工程師設(shè)計出安全的防墜系統(tǒng)，背后都有這條簡單卻強大的自由落體定律在默默支撐。愿你們也能像伽利略一樣，保持好奇，敢于質(zhì)疑，用理性的光芒照亮未知的世界。 1. 跟隨教師回顧本節(jié)課主要內(nèi)容。
2. 理解自由落體規(guī)律的科學(xué)意義。
3. 感受科學(xué)家精神的感召力量。
4. 形成尊重規(guī)律、敬畏自然的情感。
評價任務(wù) 知識歸納：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
價值認(rèn)同：☆☆☆
設(shè)計意圖 通過結(jié)構(gòu)化總結(jié)幫助學(xué)生構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)；引用名人名言提升文化品位；將物理規(guī)律與科技發(fā)展、人類文明相聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生使命感，實現(xiàn)知識、能力、情感三維目標(biāo)的有機統(tǒng)一。
作業(yè)設(shè)計
一、基礎(chǔ)鞏固：公式應(yīng)用訓(xùn)練
1. 一位登山者在懸崖邊不慎掉落一塊小石子，經(jīng)過3秒后聽到石子落地的聲音。已知聲音傳播速度為340 m/s，忽略空氣阻力，g取10 m/s 。求懸崖的高度。（提示：總時間包括石子下落時間和聲音傳回時間）
2. 某物體做自由落體運動，在最后一秒內(nèi)下落了25米。求物體下落的總時間和總高度。（g取10 m/s ）
二、實驗探究：家庭小實驗
利用手機慢動作拍攝功能（建議120fps以上），錄制一枚硬幣和一張紙片同時從同一高度釋放的下落過程。觀察并描述兩者運動軌跡的差異。再將紙片揉成團重復(fù)實驗，比較前后現(xiàn)象。撰寫一份不少于200字的小報告，說明你從中得到的物理啟示。
三、拓展閱讀：科學(xué)史短文
查閱資料了解伽利略是如何通過“斜面實驗”間接證明自由落體規(guī)律的。思考：他為什么要用斜面？這種方法體現(xiàn)了哪些科學(xué)思想？
【答案解析】
一、基礎(chǔ)鞏固
1. 設(shè)下落時間為t，則 h = ×10×t = 5t ；聲音返回時間 = (3-t)，則 h = 340×(3-t)。聯(lián)立得 5t = 340(3-t)，整理得 t + 68t - 204 = 0，解得 t ≈ 2.94 s（舍去負(fù)根），h ≈ 5×(2.94) ≈ 43.2 m。
2. 設(shè)總時間為t，則最后1秒初速度為g(t-1)，該秒內(nèi)位移 h' = g(t-1)×1 + g×1 = 10(t-1) + 5 = 25，解得 t = 3 s。總高度 H = ×10×3 = 45 m。
二、實驗探究
預(yù)期現(xiàn)象：紙片展開時飄忽不定、下落慢；揉成團后與硬幣幾乎同步下落。結(jié)論：空氣阻力顯著影響輕質(zhì)物體運動，當(dāng)阻力相對重力可忽略時，所有物體下落加速度相同。
板書設(shè)計
自由落體運動
——只受重力，v =0，a=g≈9.8m/s ↓
【左側(cè)】實驗現(xiàn)象對比：
→ 紙 vs 書：空氣阻力影響大
→ 真空管：金屬片 & 羽毛 同步下落
→ 結(jié)論：無阻力時，所有物體下落一樣快
【中部】運動規(guī)律（g代替a）：
v = gt
h = gt
v = 2gh
【右側(cè)】g的特點：
大小：9.8 m/s （一般取）
方向：豎直向下
變化：緯度↑→g↑；海拔↑→g↓
【底部】科學(xué)方法：
觀察→猜想→實驗→建模→應(yīng)用
教學(xué)反思
成功之處
1. 以“紙與書”實驗開場有效激發(fā)興趣，真空管演示震撼力強，成功破除“重快輕慢”的迷思概念。
2. 小組實驗分工明確，學(xué)生參與度高，多數(shù)小組能獨立完成數(shù)據(jù)采集與初步處理，體現(xiàn)了探究式學(xué)習(xí)的價值。
3. 結(jié)合伽利略科學(xué)史與現(xiàn)代技術(shù)（手機慢動作），既傳承科學(xué)精神又貼近學(xué)生生活，課堂氛圍積極活躍。
不足之處
1. 光電門實驗中個別小組因安裝不當(dāng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差較大，今后需增加預(yù)實驗調(diào)試環(huán)節(jié)。
2. 對g值變化的講解略顯倉促，部分學(xué)生未能完全理解地球形狀與自轉(zhuǎn)對g的影響機制。
3. 作業(yè)中綜合題難度偏高，預(yù)計有三分之一學(xué)生需輔導(dǎo)才能完成，下次應(yīng)分層設(shè)計習(xí)題。

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