1.2自由落体运动.doc

【教学内容】第一单元第2节第3课时：“自由落体运动”。【教学目标】知识与技能：了解什么是自由落体运动及自由落体的条件；理解自由落体运动的特点；掌握自由落体运动的规律。过程与方法：通过观察演示实验概括出自由落体运动是初速度为零的匀变速直线运动，从而培养学生的观察、概括能力，通过相关物理量变化规律的学习，培养分析、推理能力。情感态度价值观：通过突出主要因素，忽略次要因素，抽象出物理模型自由落体，渗透物理学的基本思想与方法，体会合理取舍，抓主要矛盾的辩证法思想；体会伽利略不崇尚教条，敢于批判与质疑，不畏艰险大胆创新的科学精神。【教学重点】自由落体的特征及规律。【教学难点】伽利略的实验验证及巧妙的推理。【教具准备】硬币（一元）两枚，薄纸袋（恰好可装下硬币），抽气机，牛顿管。【教学过程】合作探究新课学习一、创设情境，引入新课将拿在手中的粉笔头由静止释放，然后说明：我们今天研究这种常见的运动物体下落的运动。1演示1：硬币和纸袋分别从同一高度由静止开始同时下落，观察下落速度，从表面上看得到结论，“物体越重，下落得越快”。2历史的回顾亚里士多德的观点（1）亚里士多德简介亚里士多德（前384前322年），古希腊斯吉塔拉人，是世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家之一。亚里士多德一生勤奋治学，从事的学术研究涉及到逻辑学、修辞学、物理学、生物学、教育学、心理学、政治学、经济学、美学等，写下了大量的著作，他的著作是古代的百科全书，据说有四百到一千部。他的思想对人类产生了深远的影响。他创立了形式逻辑学，丰富和发展了哲学的各个分支学科，对科学做出了巨大的贡献。（2）关于落体运动的观点：“重的物体下落的快，轻的物体下落的慢”。亚里士多德提出这一观点，主要是“经验”加猜测，没有进行实验探究与科学论证。从公元前4世纪至公元17世纪，这种观念统治了人们两千多年之久。3伽利略的贡献（1638年）“小石头诘难大哲学家”伽利略对亚里士多德关于落体运动观点的质疑设想：两个物体mAmB分别由同一高度下落，重的物体比轻的物体下落的快，当把两物体捆在一起仍从同一高度下落情况会是怎样呢？分析：整体分析：当把两个物体捆在一起时mC=mAmB，因为新组成的物体比上述两个物体中的任一个都重，从而下落得应最快。局部分析：A物体下落的快，受到一个下落得慢的物体B的作用，结果就像一个大人拉着小孩向前跑，比单独大人跑要慢，比小孩单独跑要快一样，他们的共同速度应介于A、两物体之间即vAvCvB。伽利略不但敢于这样想，而且敢于这样做，他在比萨斜塔上同时让一轻一重两小球同时自由下落，结果几乎同时落地。伽利略用归谬法从理论上巧妙地否定了亚里士多德的观点，又运用实验验证自己的猜想，从而得出结论：重物体不比轻物体下落得快。演示2：将纸袋揉成纸球和硬币从同一高度由静止开始下落，观察下落速度（相差不多），把硬币装入纸袋与另一枚硬币从同一高度由静止开始下落，观察下落速度也相差不多，若减小空气对运动物体的影响会如何呢？演示3：牛顿管中的物体下落。将事先抽过气的牛顿管内的硬币与轻鸡毛从静止一起下落，观察实验结果两者几乎同时落到牛顿管的下端。将牛顿管放入空气再做实验情况就截然不同了。亚里士多德的错误，一是忽略了空气阻力对运动物体的影响，二是没有实验验证，全凭经验和猜测，从而得出错误的结论：“力是维持物体运动的原因”。二、自由落体运动1定义：物体只在重力作用下，从静止开始下落的运动叫做自由落体运动。自由落体运动是一种理想运动，在实际问题中有空气时，物体的密度不太小，速度不太大（H不太高），可以忽略空气的阻力，将物体在空气中由静止开始的下落运动近似看成是自由落体运动。不同物体做自由落体运动，它们的运动情况是相同的。2伽利略对自由落体运动的研究“冲淡重力实验：伽利略所处的年代还没有钟表，计时仪器非常简陋，自由落体运动又很快，伽利略为了研究落体运动，利用当时的实验条件做了在斜面上从静止开始下滑的直线运动（目的是为了“冲淡重力”），证明了在阻力很小的情况下小球在斜面上的运动是匀变速直线运动，用逻辑推理外推到斜面倾角增大到90的情况，小球将自由下落，成为自由落体。他认为这时小球仍然会保持匀变速直线运动的性质。也就是说，自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。这就是伽利略当年在极其简陋的条件下运用实验探究加合理外推得出的研究结果。这跟运用闪光照片等其他现代研究方法得出的结论是一样的。3引导学生观察研究研究课本上的自由落体闪光照片：（1）在相等的时间里，小球下落的距离越来越大，说明小球的下落运动是加速运动。（2）如果测出相邻两个时间段里的位移的差值，可以求出小球下落的加速度，可以发现小球下落运动中的加速度恒定不变，说明小球的自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。三、自由落体加速度1回顾牛顿管实验：同一地点，不同物体从同一高度出自由落体，下落同一高度时间相同，由公式可知，它们的加速度相同。这个加速度称为自由落体加速度，常用g表示。2对自由落体加速度的讨论 （1）在同一地点，一切物体在自由落体运动中的加速度都相同。（2）自由落体加速度方向是竖直向下的。（3）重力加速度g的方向总是竖直向下的。（4）在地球上不同纬度地区，重力加速度的大小有微小的差别，但都在98m/s2左右，通常取g=98m/s2，粗略计算时常取g=10m/s2四、自由落体运动的规律1公式表示：在匀变速直线运动的各种关系式中，令，可得到自由落体运动的：（1）速度时间关系式：。（2）位移时间关系式：自由落体运动的规律：。（3）速度位移关系式：。2图象表示：自由落体的速度时间图象：过v-t直角坐标系原点的一条直线，直线的斜率（图象与t轴正方向夹角的正切）等于重力加速度。案例研究巩固所学1案例1：例1课本15页例题42案例2：两人一组按课本16页“实验与观察”方法，测自己的反应时间。评价交流要点归纳1自由落体运动是一种非常重要的运动形式，在现实生活中有许多落体运动可以看成是自由落体运动，研究自由落体运动有着普遍的意义。2为了研究自由落体运动，我们运用了物理学中的理想化方法，从最简单、最基本的情况入手，抓住影响运动的主要因素，去掉次要的非本质因素的干扰，建立了理想化的物理模型自由落体运动，并且研究了自由落体的运动规律，理想化是研究物理问题常用的方法之一，在后面的学习中我们还要用到。3在研究自由落体运动的过程中我们还给大家介绍了归谬法，即理论推导的一种重要方法，同学们的学习重要的是研究问题的方法而不是知识本身，知识的结论当然重要，但更重要的是如何获取知识。4自由落体运动是一种简单的基本的运动形式，以后将要学习抛体运动可以看成是另一个运动形式与自由落体运动的合成，也就是说自由落体是研究抛体运动的基础，一定要抓住其产生的条件和运动规律。【作业布置】1复习课文，书面完成课本17页“复习与巩固”10、11。2复习小结本节内容，整理归内知识与方法要点。【板书设计】自由落体运动定义条件性质加速度规律附：伽利略生平简介伽利略（Galieo Galilei,15641642）伟大的意大利物理学家和天文学家，他开创了以实验事实为基础并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学。他为推翻以亚里士多德为旗号的经院哲学对科学的禁锢、改变与加深人类对物质运动和宇宙的科学认识而奋斗了一生，因此被誉为“近代科学之父”。1动手动脑、孜孜不倦伽利略1564年2月15日生于比萨一个乐师和数学家之家，从小爱好机械、数学和音乐、诗画，喜欢做水磨、风车、船舶模型。17岁时虽遵父命入比萨大学学医，但却不顾教授们反对，独自钻研图书馆中的古籍和进行实验。1582年冬，托斯卡纳公爵的年轻数学教师O里奇允许伽利略旁听，使他进入一个新世界。里奇擅长的应用力学与应用数学及生动的讲课，引导他学习水力学、建筑学和工程技术及实验，伽利略在此期间如饥似渴地读了许多古代数学与哲学书籍，阿基米德的数学与实验相结合的方法使他深受感染，他深情地说：“阿基米德是我的老师。”2善于观察，勤于实验伽利略对周围世界的多种多样运动特别感兴趣，但他发现“运动的问题这么古老，有意义的研究竟如此可怜。”他的学生维维安尼在伽利略传中记叙了1583年19岁的伽利略在比萨大教堂的情景：“以特有的好奇心和敏锐性，注视悬挂在教堂最顶端的大吊灯的运动它的摆动时间在沿大弧、中弧和小弧摆动时是否相同当大吊灯有规律地摆动时，他利用自己脉搏的跳动，和自己擅长并熟练运用的音乐节拍测算，他清楚地得出结论：时间完全一样。他对此仍不满足，回家以后用两根同样长的线绳各系上一个铅球作自由摆动他把两个摆拉到偏离竖直线不同的角度，例如30和10，然后同时放手。在同伴的协助下，他看到无论沿长弧和短弧摆动，两个摆在同一时间间隔内的摆动次数准确相等。他又另外做了两个相似的摆，只是摆长不同。他发现，短摆摆动300次时，长摆摆动40次（均在大角度情况下），在其他摆动角度（如小角度）下它们各自的摆动次数在同一时间间隔内与大角度时完全相同，并且多次重复仍然如此他由此得出结论，看来无论对于重物体的快速摆动还是轻物体的慢摆动，空气的阻力几乎不起作用，摆长一定的单摆周期是相同的，与摆幅大小无关。他还看到，摆球的绝对重量或相对比重的大小都引不起周期的明显改变只要不专门挑选最轻的材料作摆球，否则它会因空气阻力太大而很快静止下来。”伽利略对偶然机遇下的发现，不但做了多次实测，还考虑到振幅、周期、绳长、阻力、重量、材料等因素，他还利用绳长的调节和标度作成了第一件实用仪器脉搏计。1585年因家贫退学，回到佛罗伦萨，担任了家庭教师并努力自学。他从学习阿基米德论浮体及杠杆定律和称金冠的故事中得到启示。自己用简单的演示证明了一定质量的物体受到的浮力与物体的形状无关，只与比重有关。他利用纯金、银的重量与体积列表后刻在秤上，用待测合金制品去称量时就能快速读出金银的成色。这种“浮力天平”用于金银交易十分方便。1586年他写了第一篇论文小天平记述这一小制作。1589年他又结合数学计算和实验写了关于几种固体重心计算法的论文。这些成就使他于1589年被聘为比萨大学教授，1592年起移居到威尼斯任帕多瓦大学教授，开始了他一生的黄金时代。在帕多瓦大学，他为了帮助医生测定病人的热度做成了第一个温度计，这是一种开放式的液体温度计，利用带色的水或酒精作为测温物质，这实际上是温度计与气压计的雏形，利用气体的热胀冷缩性质通过含液玻璃管把温度作为一种客观物理量来测量。伽利略认为：“神奇的艺术蕴藏在琐细和幼稚的事物中，致力于伟大的发明要从最微贱的开始”。“我深深懂得，只要一次实验或确证，就足以推翻所有可能的理由”。伽利略不愧是实验科学的奠基人。3破除迷信闯出新路伽利略认真读过亚里士多德的物理学等著作，认为其中许多是错误的。他反对屈从于亚里土多德的权威，嘲笑那些“坚持亚里士多德的一词一句”的书呆子。他认为那些只会背诵别人词句的人不能叫哲学家，而只能叫“记忆学家”或“背诵博士”。他认为：“世界乃是一本打开的活书，”“真正的哲学是写在那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里，这本书是用各种几何图形和数学文字写成的。”他从小好问，好与师友争辩。他主张“不要靠老师的威望而是靠争辩”来满足自己理智的要求。他反对一些不合理的传统。例如他在比萨大学任教时就坚决反对教授必须穿长袍的旧规，并在学生中传播反对穿长袍的讽刺诗。他深信哥白尼学说的正确，他一针见血地笑那些认为天体不变的人，“那些大捧特捧不灭不变等等的人，只是由于他们渴望永远活下去和害怕死亡。”伽利略依靠工匠们的实践经验与数学理论的结合，依靠他自己敏锐的观察和大量的实验成果，通过雄辩和事实，粉碎了教会支持的亚里士多德和托勒密思想体系两千多年来对科学的禁锢，在运动理论方面奠立了科学力学的基石（如速度、加速度的引入，相对性原理、惯性定律、落体定律、摆的等时性、运动叠加原理等），而且闯出了一条实验、逻辑思维与数学理论相结合的新路（参见“伽利略的运动理论与科学方法”）。4热爱科学，传播真理伽利略在帕多瓦自己的家中开办了一个仪器作坊，成批生产多种科学仪器与工具，并利用它们亲自进行实验。1609年7月，他听说荷兰有人发明了供人玩赏的望远镜后，8月，就根据传闻及折射现象，找到铅管和平凸及平凹透镜，制成第一台3倍望远镜，20天后改进为9倍，并在威尼斯的圣马克广场最高塔楼顶层展出数日，轰动一时。11月，他又制成20倍望远镜并用来观察天象，看到“月明如镜”的月球上竟是凸凹不平，山峦迭起。他还系统观察木星的四颗卫星。1610年他将望远镜放大倍数提高到33，同年3月发表星空信使一书，总结了他的观察成果并用来有力地驳斥地心说。伽利略发明望远镜可属偶然，但他不断改进设计，成批制造，逐步提高放大倍数，这不是一般学者、工匠或教师所能及的。伽利略通过望远镜测得太阳黑子的周期性变化与金星的盈亏变化，看到银河中有无数恒星，有力地宣传了日心说。5时代局限历史遗案1615年伽利略受到敌对势力的控告，他虽几经努