高中物理必修1课件第2章匀变速直线运动第5节自由落体运动第6节伽利略对自由落体运动的研究

第5节自由落体运动第6节伽利略对自由落体运动的研究(教师参考)一、教学目标知识与技能1.理解自由落体运动和物体做自由落体运动的条件2.理解自由落体运动的加速度,知道它的大小和方向3.掌握如何从匀变速直线运动的规律推出自由落体运动规律,并能够运用自由落体规律解决实际问题4.了解自由落体运动研究的史实,了解逻辑推理的特点,理解任何猜想和假说都必须要有实验验证的重要性过程与方法1.引导学生养成进行简单物理研究习惯,根据现象进行合理假设与猜想的探究方法2.引导学生学会分析数据,归纳总结自由落体的加速度g随纬度变化的规律3.数学极限思想的进一步运用情感态度与价值观1.通过实验培养学生独立思考能力,激发学生的探索与创新意识2.培养学生的逻辑推理能力和实事求是的科学态度,从实际问题中分析规律二、教学重点难点教学重点自由落体运动规律的理解教学难点自由落体运动规律的应用三、重难点突破方略探究影响落体运动快慢的因素的突破方略【猜想与假设】在现实生活中,不同物体的下落快慢在不少情况下是不同的.设疑1:从苹果树上落下的苹果和飘下的树叶能一起同时下落吗?——不能一起同时下落.设疑2:质量大的物体一定比质量小的下落得快吗?你能否证明自己的观点?——重的物体不一定下落得快,例如跳伞运动员要经过很长时间才能落地,而雨滴能很快落地.设疑3:物体下落过程的运动情况与哪些因素有关?——与物体的质量和空气阻力有关.【合作探究】

展示:两张光盘,与光盘面大小相同的硬纸片四张,硬纸片质量相等,比光盘的质量小.并提问,要求学生发表不同观点.探究1:从同一高度同时释放两张硬纸片,它们下落快慢一定相同吗?请动手验证你的猜想.学生1:下落快慢不一定相同;动手验证:一张硬纸片的平面水平,另一张硬纸片的平面竖直,同时释放,竖直状态的硬纸片先落地.教师讲授:物体下落过程的快慢与物体质量(轻重)无关.【演示实验】“牛顿管”的实验:将羽毛和一分硬币放入厚玻璃管中,将厚玻璃管两端封闭,用抽气机将厚玻璃管内空气抽出,达到一定的真空度时,应先关闭管阀门,然后再停止泵的运转.演示1:将羽毛和一分硬币移到厚玻璃管的同一端,快速竖立厚玻璃管,让它们同时下落,观察羽毛和一分硬币下落快慢情况,提问:在真空中,谁先下落到厚玻璃管的另一端?它们下落时谁快谁慢?学生:在真空中,它们几乎同时落到厚玻璃管的另一端,它们下落快慢相同.演示2:打开进气阀,让学生注意听到进气的声音,看羽毛被气流吹起的现象.将羽毛和一分硬币移到厚玻璃管的同一端,快速竖立厚玻璃管,让它们同时下落,观察羽毛和一分硬币下落快慢的情况,提问:在空气中,谁先下落到厚玻璃管的另一端?它们下落时谁快谁慢?学生:在空气中,它们的下落快慢差别很大,一分硬币下落得快,羽毛下落得慢.思考讨论:羽毛和一分硬币在真空中、空气中下落有很大的差别,影响物体下落快慢的因素是什么?学生:空气阻力.教师讲授:影响落体运动快慢的因素是空气阻力的作用,没有空气阻力时,只在重力作用下轻重不同的物体下落快慢相同.课堂探究自主学习达标测评自主学习课前预习·感悟新知(教师参考)情境链接一1969年美国实现登月,这是人类首次登月成功,在这次登月活动中,宇航员在月球上证实了榔头与羽毛下落得一样快,月球的引力加速度为1.67m/s2,可是在我们生活的地球上,让一把榔头和一根羽毛一起下落,根据日常生活的经验我们知道,榔头先落地羽毛后落地,这是什么原因造成的呢?设想地球上也处于真空状态,让我们重复上述实验,请猜想一下,会出现什么情况,同样在地球上让同一把榔头分别在赤道和北极的10m高处下落,落地时间相同吗?原因是什么?信息在月球上由于没有空气阻力,所以榔头和羽毛下落的加速度相同,它们同时落地,但是在地球上,由于有空气阻力,所以它们下落的加速度就不同了,自然也就不会同时落地.如果地球上也处于真空状态,它们下落的加速度相同,就会同时落地;在地球上赤道和北极处的重力加速度不同,所以同一把榔头在这两个不同地方同一高度下落时,所用的时间不同.情境链接二亚里士多德是古代一位伟大的学者,一位百科全书式的大学问家,不过他在物理学中却错误百出,“观察加直觉”研究方法是亚里士多德物理学的失败之所在.伽利略崇尚“实验加推理”,是第一位创造通过实验检验理论推导的科学研究方法的科学家,这种科学研究方法将物理学研究推向正确的轨道,从此开始了物理学的突飞猛进.信息知识就是力量,而学会认识世界的方法和具备进行科学研究的能力更加重要.教材梳理一、自由落体运动1.定义:物体只在

作用下从

开始下落的运动.2.运动性质:初速度为0的

运动.在同一地点,一切物体自由下落的加速度都

.重力静止匀加速直线相同想一想教材第43页的“演示”中,为什么物体在真空中下落的情况与在空气中下落的情况不同?答案:物体在真空中下落只受重力的作用,而在空气中下落还会受到空气阻力的影响,所以它们的下落情况不同.二、自由落体加速度1.定义:物体

的加速度.又叫

,通常用g表示.自由下落重力加速度2.方向:

向下.3.大小:在地球上其大小随地理纬度的增加而

,在

最小,

最大,一般计算中,常取g=9.8m/s2或g=10m/s2.想一想

同一地点重力加速度与物体的质量、运动状态有关吗?答案:无关.竖直增大赤道上两极处三、自由落体运动规律匀变速直线运动的

及其

都适用于自由落体运动,但v0=0,a=g.基本公式推论想一想所有初速度为零的匀变速直线运动的规律是否可以应用于自由落体运动?答案:可以.四、伽利略对自由落体运动的研究1.亚里士多德的观点:物体下落的快慢是由它们的

决定的.2.伽利略的研究(1)伽利略猜想:自由落体运动是一种最简单的变速运动,其速度应是

的.重量均匀变化(2)数学推理:伽利略通过数学推理得出初速度为零的匀变速直线运动,应有x∝

.t2(3)实验结果①斜面倾角一定时,小球做

运动.②改变小球的质量,只要倾角一定,小球加速度都相同.③增大斜面倾角,小球加速度

.(4)合情推理:将斜面倾角外推到θ=90°——小球自由下落,认为小球仍会做

运动.3.伽利略的科学方法核心是把

和逻辑推理(包括数学演算)和谐地结合起来.匀加速直线增大匀加速直线实验议一议

教材第48页图2.6-3的四个图中哪几个是实验现象?哪个图是经过合理外推得到的结论?“冲淡”重力的作用更明显的是哪个图的实验?答案:甲、乙、丙图是实验现象,丁图是经过合理外推得到的结论,运用甲图的实验,可“冲淡”重力的作用,使实验现象更明显.1.一个铁钉和一团棉花同时从同一高度下落,两者同时落地.(

)2.不同质量的物体从同一点释放后做自由落体运动,其运动快慢不同.(

)3.做自由落体运动的物体,下落的高度与时间成正比.(

)4.重力加速度的大小总等于9.8m/s2.(

)5.伽利略通过实验证明:只要斜面的倾角一定,任何小球从斜面上不同高度滚下的加速度是相同的.(

)思考判断答案:1.×

2.×

3.×

4.×

5.√要点一课堂探究核心导学·要点探究【问题导学】自由落体运动规律及应用物体从静止开始下落经过时间t时的速度v和下落高度h的表达式是怎样的?答案:由匀变速直线运动规律得v=gt,h=gt2.【要点归纳】匀变速直线运动的常用基本公式及其推论在自由落体运动中表达式.(1)速度公式:v=gt.(3)速度和位移的关系式:v2=2gh.(6)连续相等时间T内下落的高度之差:Δh=gT2.(7)初速度为0的匀加速直线运动的几个比例式对自由落体运动都适用.【例1】(2017·上饶高一检测)从离地面80m的空中自由落下一个小球,g取10m/s2,求小球:(1)落到地面经过的时间;(2)自开始下落计时,在第1s内的位移、最后1s内的位移.〚核心点拨〛由x=80m和自由落体加速度,根据位移公式可直接算出落地时间,根据运动时间,可算出第1s内的位移.最后1s内的位移是下落总位移和前(n-1)s下落位移之差.法二:比例法.连续相等时间内位移之比为1∶3∶5…,则h1∶h4=1∶7,得最后1s的位移h4=7h1=7×5m=35m.法三:v-t图像法.如图为其运动的v-t图像,第1s内的位移h1由阴影部分的面积求出.答案:(1)4s(2)5m35m规律方法自由落体运动的处理技巧(1)自由落体运动是匀变速直线运动的特例,分析匀变速直线运动的各种方法对于自由落体运动仍然适用.(2)自由落体运动的中间一段过程的分析方法.①自由落体运动法:从物体下落时开始研究,如求物体下落后第4s内的位移,可以用自由落体前4s的位移与前3s的位移的差求得.③灵活选用匀变速直线运动的基本公式及其推论,可使问题的分析、计算收到事半功倍的效果.(教师备用)例1-1:(2017·潍坊高一期中).一个物体从空中A点做自由落体运动,经过B点时速度为,物体落到地面C点时速度为v.已知B点离地面的高度h=15m,g取10m/s2,求:(1)物体落到地面C点时的速度v的大小;(2)物体在空中运动的时间t;(3)A点与地面C点的高度H.答案:(1)20m/s

(2)2s

(3)20m针对训练1:(2017·安庆高一期末)研究发现,物体在火星上的落体规律与在地球上相似,若在火星表面上,做自由落体运动的物体在开始1.0s内下落x1=2.0m.(1)火星表面的重力加速度g火是多大?(2)该物体从某高处由静止开始落下,5s时(未落到火星表面)的速度是多大?(2)由v=g火t,得v=4m/s2×5s=20m/s.答案:(1)4m/s2

(2)20m/s要点二【问题导学】如图所示,用手捏住纸带上端把纸带拉成竖直状态,并使重物停在靠近打点计时器处.先接通电源,再松开纸带让重物自由下落,打点计时器在纸带上打下一系列的点.如何根据纸带求出重力加速度?测量重力加速度的方法【要点归纳】1.打点计时器法(1)利用如图所示装置,让重锤自由下落打出点迹清晰的纸带.3.滴水法(1)让水滴落到垫起来的盘子上,可以清晰地听到水滴碰盘子的声音.细心地调整水龙头的阀门,使第一个水滴碰到盘子听到响声的瞬间,注视到第二个水滴正好从水龙头滴水处开始下落.(2)听到某个响声时开始计时,并数0,以后每听到一次响声,顺次加1,直到数到N,停止计时,表上时间的读数是T.(3)用米尺量出水龙头滴水处到盘子的距离为h.【例2】(2017·盐城高一检测)登上月球的宇航员利用频闪仪(频率为每秒20次)给自由下落的小球拍照,所拍的频闪照片如图所示(图上所标数据为小球到达各位置时总的下落高度),则月球表面的重力加速度为多少?(保留两位有效数字).〚核心点拨〛频闪拍照所拍的频闪照片,相邻小球间的时间相等.其间距离为频闪间隔时间内小球的位移.答案:1.6m/s2规律方法

根据实验求重力加速度的几种方法(4)利用多次求得的瞬时速度,画出v-t图像,根据图线的斜率求得g.(教师备用)例2-1:如图所示,将打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置可以测量重力加速度.(1)所需器材有打点计时器(带导线)、纸带、复写纸、带铁夹的铁架台和带夹子的重物,此外还需

中的器材.(填字母代号)

A.直流电源、天平及砝码B.直流电源、毫米刻度尺C.交流电源、天平及砝码D.交流电源、毫米刻度尺解析:(1)本实验不需要测量重物的质量,直接通过测量纸带记录“点”间的距离,利用匀变速直线运动的规律即可求得重力加速度.故还需要低压交流电源和刻度尺,选项D正确.答案:(1)D

(2)通过作图像的方法可以剔除偶然误差较大的数据,提高实验的准确程度.为使图线的倾斜程度(斜率)等于重力加速度,除作v-t图像外,还可作

图像,其纵轴表示的是

,横轴表示的是

.

解析:(1)刻度尺读数要估读到下一位,该同学所用刻度尺最小刻度为1cm,故读数为45.0cm,选项B正确.针对训练2:有同学设计了一种能测量人的反应时间的直尺,其原理简化如下,甲同学手持直尺上端A,乙同学手放在直尺最下端0刻度线B处,当乙同学发现甲同学释放直尺时立即握紧自己的手,抓住下落的直尺,此过程中乙同学的手在竖直方向不移动.(重力加速度取g=10m/s2,刻度尺单位为cm).(1)若该同学所用刻度尺最小刻度为1cm,如图所示的读数近似为

.

.

A.45cm B.45.0cm C.45.00cm答案:(1)B(2)根据以上读数,该同学在这次实验中的反应时间为

.

(3)若将这把尺进行反应时间标度,应当从

端向

端由小到大标度反应时间(选填“A”或“B”).

答案:(2)0.3s

(3)B

A(4)反应时间尺刻度值是否均匀?

(选填“是”或“否”).

答案:(4)否(教师参考)【教材探究】P43“说一说”中为什么物体在真空中下落的情况与在空气中下落的情况不同?关于这个问题,你有什么假设或猜想?答案:物体在空气中下落时,除受重力作用外,还受空气阻力作用,特别是较轻小的物体,受重力较小.相对而言,它受的空气阻力的影响是不能忽略的,故在空气中下落的物体,由于它们轻、重的不同,空气阻力的影响也不相同,故下落的快慢也不相同;而在真空中下落时,物体只受重力作用.可能会猜想物体下落的快慢跟物体的重力大小有关,或跟物体的质量大小有关,然而通过实验却发现:在真空中的所有物体做自由落体运动时,它们的快慢都相同,跟它们的轻重没有关系,原因是它们在下落过程中都有相同的加速度——自由落体加速度.达标测评随堂演练·检测效果1.(2017·陕西宝鸡高一检测)在学习物理知识的同时,还应当十分注意学习物理学研究问题的思想和方法,从一定意义上说,后一点甚至更重要.伟大的物理学家伽利略的研究方法对于后来的科学研究具有重大的启蒙作用,至今仍然具有重要意义.请你回顾伽利略探究物体下落规律的过程,判定下列哪个过程是伽利略的探究过程(

)A.猜想—问题—数学推理—实验验证—合理外推—得出结论B.问题—猜想—实验验证—数学推理—合理外推—得出结论C.问题—猜想—数学推理—实验验证—合理外推—得出结论D.猜想—问题—实验验证—数学推理—合理外推—得出结论C解析:伽利略探究物体下落规律的过程是:先对亚里士多德对落体运动的观察得出的结论提出质疑——大小石块捆在一起下落得出矛盾的结论;猜想——下落的运动是最简单的运动,速度与时间成正比;数学推理——如果v∝t,则有h∝t2;实验验证——设计出斜面实验并进行研究,得出阻力很小的斜面上滑下的铜球的规律h∝t2;合理外推——将斜面上滑下的物体的规律h∝t2推广到落体运动.选项C正确.2.(2017·西安高一检测)伽利略为了研究自由落体的规律,将落体实验转化为著名的沿斜面运动的实验,当时利用斜面做实验主要是考虑到(

)A.实验时便于测量小球运动的速度B.实验时便于测量小球运动的路程C.实验时便于测量小球运动的时间D.实验时便于测量小球运动的加速度C解析:伽利略最初假设自由落体运动的速度是随着时间均匀增大,但是他所在的那个时代还无法直接测定物体的瞬时速度、加速度.伽利略通过数学运算得到结论:如果物体的初速度为零,而且速度随时间的变化是均匀的,那么它通过的位移与所用的时间的二次方成正比,即x∝t2.这样,只要测出物体通过不同位移所用的时间,就可以检验这个物体的速度是否随时间均匀变化.但是物体下落很快,当时只能靠滴水计时,这样的计时工具还不能测量自由落体运动所用的较短的时间.伽利略采用了一个巧妙的方法,用来“冲淡”重力.他让铜球沿阻力很小的斜面滚下,小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落的加速度小得多,所用时间长,解决了时间测量的难题,选项A,B,D错误,C正确.3.(2017·无锡高一期末)(多选)一根轻质细线将2个薄铁垫片A,B连接起来,一同学用手固定B,此时A,B间距为3l,A距地面为l,如图所示.由静止释放A,B,不计空气阻力,且A,B落地后均不再弹起.从释放开始到A落地历时t1,A落地时的瞬时速率为v1,从A落地到B落在A上历时t