3.3 勻變速直線運動實例——自由落體運動

★目標
(一)知識與技能
1.認識自由落體運動，知道影響物體下落快慢的因素，理解自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動。
2.能用打點計時器或其他實驗儀器得到相關(guān)的運動軌跡并能自主進行分析。
3.知道什么是自由落體的加速度，知道它的方向，了解在地球上的不同地方，重力加速度大小不同。
4.掌握如何從勻變速直線運動的規(guī)律推出自由落體運動規(guī)律，并能夠運用自由落體規(guī)律解決實際問題。
5.初步了解探索自然規(guī)律的科學方法，重點培養(yǎng)學生的實驗能力和推理能力。
(二)過程與方法
6.會根據(jù)現(xiàn)象進行合理假設(shè)與猜想的探究方法。
7.會利用實驗數(shù)據(jù)分析并能歸納總結(jié)出物理規(guī)律的方法。
8.善于進行觀察，并能獨立思考或與別人進行討論、交流。
(三)情感態(tài)度與價值觀
9.通過指導學生探究，調(diào)動學生積極參與討論，培養(yǎng)學生學習物理的濃厚興趣。
10.滲透物理方法的教育，在研究物理規(guī)律的過程中抽象出一種物理模型──自由落體。
11.培養(yǎng)學生的團結(jié)合作精神和協(xié)作意識，敢于積極探索并能提出與別人不同的見解。
★重點
1.自由落體運動的概念及探究自由落體運動的過程。
2.掌握自由落體運動的規(guī)律，并能運用其解決實際問題。
★教學難點
1.理解并運用自由落體運動的條件及規(guī)律解決實際問題。
★教學過程
設(shè)計思想：
1、先用游戲激發(fā)學生學習興趣，順理成章地研究落體運動；
2、通過演示實驗讓學生自己總結(jié)出物體下落快慢不同的主要原因是空氣阻力，從而猜想若沒有空氣阻力會怎樣；
3、用牛頓管實驗驗證猜想，引入了新的理想運動模型：自由落體運動。講述1971年宇航員做的實驗，加深印象；
4、了解地球表面物體下落運動近似成自由落體運動的條件；
5、著手研究自由落體運動的規(guī)律，利用打點計時器進行研究，得到結(jié)論；
6、總結(jié)自由落體運動特點及重力加速度；
7、應用訓練
一、引入 ：
教師在課前需要設(shè)計制作好“測反應時間尺”（在一約50cm長的尺有刻度的一面標上自由下落對應長度所用的時間）
游戲
師：一般情況下，刻度尺是用來測量什么物理量的？
生：測量物體長度的！
師：大家看到我手里的這把尺子了沒有？我這把尺子跟普通尺子是不一樣，有特殊的功能，它可以測量出你的反應時間。不信？我請幾位同學上來試試。
找?guī)酌�同學上來做這個實驗�？赏ㄟ^比比誰的反應時間短來調(diào)動學生的積極性。
師：相信大家一定非常想知道這把尺為什么能測出人的反應時間呢？是根據(jù)什么原理呢？我可以告訴大家，尺子測時間的原理就是利用尺子下落過程中的運動特點制成的。而我們今天要研究的就是尺子下落這樣的運動。
師：像尺子下落這樣的運動是一種常見的運動。掛在線上的重物，如果把線剪斷，它就在重力的作用下，沿著豎直方向下落。從手中釋放的石塊，在重力的作用下也沿著豎直方向下落。
師：不同的物體下落快慢是否一樣呢？物體下落的快慢由哪些量決定？請大家結(jié)合日常生活經(jīng)驗回答問題。
生：不同物體下落快慢應該是不一樣的，下落快慢應該是由質(zhì)量決定，質(zhì)量大的下落快，質(zhì)量小的下落快慢。
師：這位同學回答得對不對呢？大家看我來做幾個實驗。
演示實驗
1、將一張紙和一張金屬片在同一高度同時釋放，結(jié)果金屬片先著地。
教師不發(fā)表意見，繼續(xù)做實驗。分別將實驗內(nèi)容和實驗結(jié)果板書在黑板上。
2、將剛才的紙片緊緊捏成一團，再次與硬幣同時釋放，結(jié)果兩者幾乎同時落地。
3、將兩個完全一樣的紙片，一個捏成團，一個平展，則紙團下落快。
師：物體下落快慢是由質(zhì)量決定嗎？
生：不是的！
師：為什么這樣說？
生：第2個實驗和第三實驗都說明了這個問題，特別是第3個問題，質(zhì)量一樣卻下落有快慢之分。
師：那你現(xiàn)在覺得物體下落快慢由什么因素決定呢？
生：我想應該是空氣阻力。
猜想
師：如果影響物體下落快慢的因素是空氣阻力，那么在沒有空氣阻力，物體的下落快慢應該是一樣的，這種猜想是不是正確呢？我們來做一個實驗驗證一下。
驗證
牛頓管實驗：
師：剛才的實驗現(xiàn)象驗證了我們的猜想，在沒有空氣阻力即物體只受重力的情況下，所有物體由靜止下落的快慢是一樣的。
師： 1971年美國阿波羅15號宇航員在月球表面將錘子和羽毛同時釋放，它們同時落在月球表面，這是通過電視轉(zhuǎn)播過的。
二、自由落體運動
師：物體若在沒有空氣阻力的情況下由靜止下落，它的受力情況有什么特點？
生：沒有空氣阻力，則物體只受重力。
師：很好！物理學中把這種只受重力作用，由靜止開始下落的運動叫做自由落體運動。
自由落體運動：在只受重力的情況下，由靜止開始下落的運動。
師：我們?nèi)粘Ｉ�活中見到的落體運動是自由落體運動嗎？比如開始測反應時間的尺子的下落運動是自由落體運動嗎？
生：肯定不是，因為在地球表面大氣層內(nèi)，沒有空氣的情況是不存在的。
師：說得很好！在我們的日常生活環(huán)境下，自由落體運動是不存在的，只是一種理想運動模型。但利用忽略次要因素，抓住主要因素的物理研究方法，我們可以把日常生活中一些空氣阻力影響不大的落體運動近似看作自由落體運動。什么樣才叫做阻力影響不大，就是阻力跟重力相比可以忽略。
近似條件：一般情況下，密度較大實心物體的下落都可以近似看成自由落體運動。
三、自由落體運動的運動規(guī)律
師：做自由落體運動的物體的運動規(guī)律是什么呢？速度隨時間是如何變化的？位移隨時間又是如何變化的，我們該如何來研究它的運動規(guī)律呢？
生：利用打點計時器。先選擇一個物體，這個物體必須密度大，實心，體積不要太大，這樣的話就可以把這個物體由靜止開始下落的運動近似看成自由落體運動。接著用打點計時器來研究物體的運動規(guī)律。
師：請同學們自己設(shè)計并進行實驗，將紙帶的處理結(jié)果告訴我。
學生設(shè)計、操作并處理實驗結(jié)果
總結(jié)分析運動規(guī)律
師：實驗結(jié)論是什么？
生：自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動。
師：如何得出這個結(jié)論？
生：根據(jù)實驗得到的紙帶，我猜想它是勻加速運動。于是我用勻變速直線運動的運動規(guī)律 來驗證紙帶，結(jié)果證明自由落體運動是勻變速直線運動。
師：回答得非常正確！自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，這個結(jié)論我們要牢記。
師：那再計算一下自由落體的加速度大小是多少？方向如何？
生：我所算得的結(jié)果在9.4左右，方向是豎直向下，因為物體是豎直向下勻加速的，所以加速度方向應該與速度方向相同，豎直向下。
師：其他同學的結(jié)果呢？
生：我的也差不多。
關(guān)鍵點提問
師：大家用的是質(zhì)量不同的重錘做的實驗，為什么求出來的加速度結(jié)果差不多呢？
生：雖然重錘質(zhì)量不同，但由于空氣阻力影響較小，均可以近似成自由落體運動，而我們已經(jīng)知道：所有物體做自由落體運動的運動情況是完全一樣的。所以測出來的結(jié)果差不多是符合事實的。
總結(jié)歸納重力加速度
師：同學們剛才測量計算出來的自由落體加速度又叫做重力加速度，用g表示。精確的實驗發(fā)現(xiàn)，在地球上不同的地方，g的大小是不同的：1、緯度越高，g越來越大；2、同一緯度，高度越大，g越小。一般的計算中可以取9.8m/s2或10m/s2，如果沒有特殊說明，都按9.8m/s2計算。
例1、下列說法正確的是（BD）
A.物體從靜止開始下落的運動叫做自由落體運動
B.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
C.從靜止開始下落的鋼球受到空氣阻力作用，不能看成自由落體運動。
D.從靜止開始下落的鋼球受到空氣阻力作用，因為阻力與重力相比可以忽略，所以能看成自由落體運動。
例2、下列說法不正確的是（A）
A.g是標題，有大小無方向。
B.地面不同地方g不同，但相差不大。
C.在同一地點，一切物體的自由落體加速度一樣。
D.在地面同一地方，高度越高，g越小。
例3、AB兩物體質(zhì)量之比是1：2，體積之比是4：1，同時從同一高度自由落下，求下落的時間之比，下落過程中加速度之比。
解：因為都是自由落體運動，高度一樣，所以下落時間一樣，1：1；下落過程加速度也一樣都是g，1:1
例4、質(zhì)量為2kg的小球從離地面80m空中自由落下，g=10m/s2，求
1、經(jīng)過多長時間落地？
2、第一秒和最后一秒的位移。
3、下落時間為總時間的一半時下落的位移。
解：1、
2、 ；
3、連續(xù)相等時間位移之比1：3，則位移為
師：自由落體運動速度與時間關(guān)系、位移速度關(guān)系以及位移與時間關(guān)系是怎樣的？
學生總結(jié)：
回答測反應時間尺的原理

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