《自由落體運動》教學設計

谷春生

創新整合點

①通過seewo觸控一體機、筆記本電腦、調制解調器、傲軟投屏系統、手機等，輕松實現現場直播投屏。

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

③通過多媒體交互設備，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，本課是引導學生利用已有知識解決生活中的實際問題。

學情分析

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

教學目標

知識與技能目標：了解自由落體運動概念；認識自由落體產生的條件；掌握自由落體運動規律。

過程與方法目標：采用探究式、啟發式、討論式組織教學，充分體現以學生為主體的新課程教學理念。

情感態度與價值觀目標：突出主要矛盾，忽略次要因素建模；養成良好的思維表述習慣和實事求是、嚴謹的科學價值觀。

教學環境與準備

教學環境：多媒體教室、seewo觸控一體機、筆記本電腦、調制解調器、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。

教學過程

1.生活引入，揭示課題

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

設計意圖：采用生活情境激趣，激發學生探究欲望。

師（進一步啟發）：同學們，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？

學生猜測物體下落的快慢與輕重、體積有關。

師：你們判定的依據是什么？下面自主探究。

教師出示PPT，讓學生自主選材，自主制作，設計實驗探究并交流討論，PPT截圖如圖1所示。

教師啟發學生回答。

師：哪些小組探究了與質量的關系？

生1：我們組用重的橡皮和輕的硬幣同時下落，發現重的橡皮下落得快。

生2：我們組用兩張相同材質的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，發現重的物體比輕的物體下落得快。

師：很好，這一小組已經會用控制變量法了，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，發現輕的物體比重的物體下落得快。

師：很好，大家繼續思考—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系。

師：哪些小組探究了與體積的關系？

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，發現體積小的小紙盒先落地。

師：很好，這也是創新的火花，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系還是比較復雜的，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。通過實驗探究給學生提供實踐的機會，從而培養學生的觀察能力、動手能力、分析綜合能力、團結協作能力、自主創新能力等。在有層次、有臺階的問題引領下，學生的思維逐步深入，螺旋式上升。

探究二：教師創新演示實驗探究。

師：這是兩個完全相同的光盤，相同質量、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。

設計意圖：通過創新設計，采用相同質量、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，使學生較順暢地猜想出與空氣阻力有關，這是最關鍵的一步。

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）讓我們回顧物理學史，看一看物理學家是怎么探究它們的？

介紹物理學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該比8還要大；但是轉念一想，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該小于8。剛才分析整體速度大于8，現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。伽利略是比較嚴謹的，之后他又通過一系列實驗進行了探究。

設計意圖：強調推理的力量、邏輯的力量。

師：伽利略的偉大發現—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”的學說，糾正了這個持續了2000年之久的錯誤結論。伽利略的鐵球實驗揭示了落體運動的秘密，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，這位同學根據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。

設計意圖：通過一波三折，環環相扣，逐步引導啟發，探究影響物體下落快慢的因素與什么有關，從而激發學生的學習興趣。

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：右側抽成近似真空，管中的白色羽毛和鐵片沒有分離，左側空氣管中的鐵片在下，羽毛在上，已經分離了。而且右側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。

設計意圖：通過seewo觸控一體機、筆記本電腦、調制解調器、傲軟投屏系統、蘋果手機等，輕松實現直播投屏，效果比較震撼。采用手機慢鏡頭拍攝，精彩回放，凸顯信息技術多媒體輔助教學的強大優勢。

最后，教師鼓勵學生自主歸納總結：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。

教師進一步分析伽利略創立的落體學說，并介紹落體學說的月球驗證。然后播放1971年阿波羅登月飛船上的宇航員大衛·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，伽利略創立了自由落體學說。

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

3.自由落體運動（板書）

定義：（理想模型的構建）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，完成對學生方法論的教育。

探究三：自由落體運動是什么性質的運動？

學生自主提出問題、科學猜想、設計方案、數據處理、交流討論，最后展示匯報。

學生通過實驗數據計算得出：

在誤差許可的范圍內，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。

北京地區自由落體運動的加速度約為9.79m/s2。

設計意圖：課堂以學生為主體，實驗學生自己做，問題學生自己提，探究方向學生自己定，設計方案學生自己出。真正以學生為中心，較好地培養學生的科學探究能力和創新意識，進一步提升學生核心素養。

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：學以致用—動手做一做：用手機測自由落體加速度。

教師介紹現代手機都有一個較為先進的功能—內置了一個傳感器，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，穩定在-9.80m/s2這一數值（取豎直向上為正方向）。穩定了多長時間？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。

設計意圖：該創新實驗借用現代高科技傳感器，通過多媒體交互設備，手機傳感器實時記錄，手機顯示屏實時顯示，并通過現場直播方式在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，收到了較好的教學效果。學生興趣高漲，一個個躍躍欲試。隨即布置探究作業，放學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，其運動規律：v=gt? h=1-2gt2。

教師讓學生把視頻看完，會發現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：它是我們這節課自由落體運動知識的應用，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。這個問題我們在不久之后進行學習。

設計意圖：讓學生帶著問題離開課堂，可激發學生進一步的探究欲望。

教學反思

《自由落體運動》以創設問題情境為出發點，以實驗探究為主線，層層設疑，激發學生認知沖突，實現在生生、師生思維的碰撞中產生火花，有效推進教學。學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，潛移默化地培養學生的核心素養。本課特色如下：

“真”關注：真正關注學生的知識儲備、思維特點、生活經驗。情境的創設從學生身邊熟悉的現象開始——學生做實驗，親身體驗，觀察下落的快慢。問題的提出，從學生自發生成的疑問開始，有效地將學生的思維引導到對問題的討論上來，催生了學生學習的自發動力。

“真”為主：課堂以學生為主體，實驗學生自己做，問題學生自己提，探究方向學生自己定。在利用打點計時器探究“自由落體的運動性質”時，由學生自己設計實驗、操作、處理數據，得出結論。這種課堂教學真正以學生為主的做法，使學生經歷并實踐了探究物理問題的科學方法，培養了學生科學嚴謹的治學態度。

“真”探究：在教學過程中，每遇到問題需要探究的環節，放開約束，將活動的時間與空間交給學生，充分地調動學生學習積極性，使學生的身心主動參與到課堂中來：用自制創新大型實驗教具“雙牛頓管”進行探究，采用手機慢鏡頭拍攝，精彩回放，把瞬間現象化為永恒，使“探究”真正發生。學生分組探究熱情高，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資源，表達出的合理觀點彰顯了探究對學生觀念構建的有效，這種經歷體驗得到逐步感悟、提升，潛移默化地培養了學生的核心素養，凸顯了實驗教學的涵養特色。