《自由落体运动》教学设计

谷春生

创新整合点

①通过seewo触控一体机、笔记本电脑、调制解调器、傲軟投屏系统、手机等，轻松实现现场直播投屏。

②采用多媒体交互设备探究创新实验，用苹果手机慢镜头拍摄创新双牛顿管演示仪，精彩回放，化瞬间现象为永恒，凸显信息技术多媒体辅助教学强大优势。手机操作视频条，成功实现慢镜头回播、倒播，实时观察，准确定位观察。学生观察到了现实中观察不到的细节，一目了然，凸显了多媒体的魅力。

③通过多媒体交互设备，巧用手机传感器测试自由落体加速度，实时记录；手机显示屏实时显示，并通过现场直播方式在seewo触控一体机显示大屏上适时展示加速度—时间图像，效果震撼。

教材分析

自由落体运动是匀变速直线运动的一种具体情形，本课是引导学生利用已有知识解决生活中的实际问题。

学情分析

学生已学了匀变速直线运动规律，急需一次真正实践去深刻理解匀变速直线运动规律，而对自由落体运动的研究，适应了这一要求，让学生的认识有进一步提高。

教学目标

知识与技能目标：了解自由落体运动概念；认识自由落体产生的条件；掌握自由落体运动规律。

过程与方法目标：采用探究式、启发式、讨论式组织教学，充分体现以学生为主体的新课程教学理念。

情感态度与价值观目标：突出主要矛盾，忽略次要因素建模；养成良好的思维表述习惯和实事求是、严谨的科学价值观。

教学环境与准备

教学环境：多媒体教室、seewo触控一体机、笔记本电脑、调制解调器、傲软投屏软件、苹果手机等。

仪器准备：改进教具牛顿管、抽气机；相同纸片多张、光盘多张、硬币多个、羽毛多根、橡皮多个、木棍多根、棉花团、剪刀；自制大厚胶木板、电火花打点计时器（带墨粉纸盘）、纸带、重锤、长刻度尺等。

教学过程

1.生活引入，揭示课题

师：请大家观赏一个网传视频（人从高耸入云的铁塔上落下），并思考：这是真的吗？学完本节课的知识，我们就来揭秘它的真假。

设计意图：采用生活情境激趣，激发学生探究欲望。

师（进一步启发）：同学们，请大家欣赏生活中常见的下落运动—苹果的落地、露珠的下落、雪花的飘落，还有见落叶而知秋……在这些下落的物理情境中，请大家思考：影响物体下落快慢的因素是什么呢？大胆猜想一下。

生1：轻重。

生2：空气阻力。

生3：体积。

师：为什么呢？你们判定的依据是什么？

2.影响物体下落快慢的因素

探究一：猜测物体下落的快慢与哪些因素有关？

学生猜测物体下落的快慢与轻重、体积有关。

师：你们判定的依据是什么？下面自主探究。

教师出示PPT，让学生自主选材，自主制作，设计实验探究并交流讨论，PPT截图如图1所示。

教师启发学生回答。

师：哪些小组探究了与质量的关系？

生1：我们组用重的橡皮和轻的硬币同时下落，发现重的橡皮下落得快。

生2：我们组用两张相同材质的A4纸团成体积相同的纸球，在其中一个纸团中塞入一个硬币，让它们同时下落，发现重的物体比轻的物体下落得快。

师：很好，这一小组已经会用控制变量法了，确保它们体积不变。

生3：我们组用两张相同材质的A4纸，一张完整的和一张A4纸剪成一半，显然小的轻一些，将小的团成纸球，让它们同时下落，发现轻的物体比重的物体下落得快。

师：很好，大家继续思考—一会儿是重的下落得快，一会儿是轻的下落得快，看来物体下落的快慢与轻重可能没有什么关系。

师：哪些小组探究了与体积的关系？

生4：我们组是把一张A4纸剪取四分之一，剪成一个小纸盒并糊好，与另一张完整的A4纸同时从相同高度释放，发现体积小的小纸盒先落地。

师：很好，这也是创新的火花，我取一个大石块和一个小羽毛，石块的体积大，大家说谁先落地？

生：大石块先落地。

师：体积大的先落地。一会儿是体积小的先落地，一会儿是体积大的先落地，看来物体下落的快慢与体积的关系还是比较复杂的，这勾起了我的探究欲望，让我们通过一个实验来探究一下吧。

设计意图：利用生活中常见的物品自制教具，操作方便，实效明显。通过实验探究给学生提供实践的机会，从而培养学生的观察能力、动手能力、分析综合能力、团结协作能力、自主创新能力等。在有层次、有台阶的问题引领下，学生的思维逐步深入，螺旋式上升。

探究二：教师创新演示实验探究。

师：这是两个完全相同的光盘，相同质量、体积。第一次从等高位置使光盘面水平，同时释放；第二次从等高位置将光盘一个水平、一个竖直同时释放，请大家观察下落的情形。

学生仔细观察后回答：两个光盘平着放的同时落地；当光盘一个平着放、一个竖着放时，竖着放的先落地。

师：大家猜想一下，这又是为什么呢？

生：我感觉它们所受的阻力不同，立着放的所受的空气阻力比较小。

设计意图：通过创新设计，采用相同质量、相同体积、大小形状完全相同的光盘，是为了较好地运用控制变量法凸显主要矛盾，使学生较顺畅地猜想出与空气阻力有关，这是最关键的一步。

师：很好！看来物体下落的快慢与物体所受到的阻力有很重大的关系，大家的认识渐渐与伽利略的认识吻合了。（过渡）让我们回顾物理学史，看一看物理学家是怎么探究它们的？

介绍物理学史中最重要的两种观点：

亚里士多德的观点—他观察到石头比羽毛下落快些，得出观点：重的物体下落得快。

伽利略的观点—他运用逻辑推理与探究实验，得出观点：重物与轻物下落得同样快。

师：到底哪一种观点是正确的呢？让我们来看一下伽利略的精辟分析：如果亚里士多德的“重快轻慢”的观点是正确的，不妨假设一轻一重两块石头，大石头的速度为“8”，小石头的速度为“4”，当把两块石头拴在一根绳的两端，它们下落时，整体比大石头要重，因此整体下落的速度应该比8还要大；但是转念一想，把两块石头拴在一根绳的两端，大石头会被小石头拖着而变慢，整个物体的下落速度应该小于8。刚才分析整体速度大于8，现分析整体速度又小于8，这难道不是自相矛盾吗？说明亚里士多德“重快轻慢”的看法是错误的。通过仔细分析，伽利略认为物体下落的运动只有一种可能性：重的不快，轻的也不慢，即轻、重不同的物体应该下落得一样快，如图2所示。这是逻辑的力量。伽利略是比较严谨的，之后他又通过一系列实验进行了探究。

设计意图：强调推理的力量、逻辑的力量。

师：伽利略的伟大发现—比萨斜塔实验：传说在1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，从此推翻了亚里斯多德“物体下落速度和轻重成比例”的学说，纠正了这个持续了2000年之久的错误结论。伽利略的铁球实验揭示了落体运动的秘密，那亚里士多德所认识的羽毛和石块到底是怎么一回事呢？我们看看伽利略的认识。请大家继续观赏一段视频并思考：为什么在空气中下落的羽毛是这个形状？这个形状使你判断出什么？

生：这个形状使我判断出羽毛所受到的阻力向上，而且比金属块大。

师：很好，这位同学根据这个形状判断出羽毛受到向上的空气阻力，而且空气阻力比较大。原来轻重不同的物体下落快慢不同是由于受到空气阻力的缘故。

设计意图：通过一波三折，环环相扣，逐步引导启发，探究影响物体下落快慢的因素与什么有关，从而激发学生的学习兴趣。

师：如果没有空气阻力影响，轻重不同的物体下落快慢一定是相同的吗？让我们用一个更加精密的仪器来探究一下吧。这是一个牛顿管，仔细观察实验，思考为什么？

教师介绍牛顿管演示仪，然后介绍自制改进的实验仪器（如图3（a））。两个牛顿管并行竖立便于观察，顶部等高，黄色衬板便于观察白色羽毛和铁片，顶上的小磁铁吸住了铁片，同时铁片压住了羽毛。

演示操作：用抽气机抽气五分钟，迅速移去顶部的磁铁，确保两管中羽毛和铁片同时释放，然后请一位学生用老师的手机慢动作录像。

首先完成手机与电脑同步，当堂展示慢动作录像如下：右侧抽成近似真空，管中的白色羽毛和铁片没有分离，左侧空气管中的铁片在下，羽毛在上，已经分离了。而且右侧管中的羽毛和铁片整体下落得快一些，慢动作回放，一目了然，如图3（b）所示。

设计意图：通过seewo触控一体机、笔记本电脑、调制解调器、傲软投屏系统、苹果手机等，轻松实现直播投屏，效果比较震撼。采用手机慢镜头拍摄，精彩回放，凸显信息技术多媒体辅助教学的强大优势。

最后，教师鼓励学生自主归纳总结：真空中物体同时落地，在真空中物体下落快慢与物体的轻重无关。

教师进一步分析伽利略创立的落体学说，并介绍落体学说的月球验证。然后播放1971年阿波罗登月飞船上的宇航员大卫·斯科特（David Scott）将一把锤子和一根羽毛带上了月球，在没有大气的月球上做了有趣的落体试验：锤子和羽毛同时落地。

师：影响落体运动快慢的因素是空气阻力的作用，在没有空气阻力的情况下，轻、重不同的物体下落快慢相同。从此，伽利略创立了自由落体学说。

升华提升：爱因斯坦谈伽利略的贡献—伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端……

3.自由落体运动（板书）

定义：（理想模型的构建）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。

条件：从静止开始下落（初速度为零）；只受重力作用（当空气阻力同重力相比很小，可忽略不计，物体下落也可近似看作自由落体运动）。

师：刚才观察到真空管中羽毛和铁片整体下落得快那么一点点，说明当空气阻力同重力相比很小时，可忽略不计，物体下落也可近似看作自由落体运动。

设计意图：忽略次要因素，把握主要矛盾，抽象出自由落体理想模型，完成对学生方法论的教育。

探究三：自由落体运动是什么性质的运动？

学生自主提出问题、科学猜想、设计方案、数据处理、交流讨论，最后展示汇报。

学生通过实验数据计算得出：

在误差许可的范围内，相邻的相等时间间隔的位移差都相等。

自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。

北京地区自由落体运动的加速度约为9.79m/s2。

设计意图：课堂以学生为主体，实验学生自己做，问题学生自己提，探究方向学生自己定，设计方案学生自己出。真正以学生为中心，较好地培养学生的科学探究能力和创新意识，进一步提升学生核心素养。

教师进一步阐述：自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。

探究四：学以致用—动手做一做：用手机测自由落体加速度。

教师介绍现代手机都有一个较为先进的功能—内置了一个传感器，下载一个“phyphox”手机APP，便可以完成测试。

首先完成手机与电脑同步，演示探究操作如下。

师：该传感器能测试直角坐标系xyz轴方向的加速度，我们可以让手机只显示z轴方向。显示的效果如图4所示，略去前端的干扰信号，当手机做自由落体运动时，加速度恒定，稳定在-9.80m/s2这一数值（取竖直向上为正方向）。稳定了多長时间？大家可以从手机中观察，大约200～300ms左右，精确度还是比较高的。

设计意图：该创新实验借用现代高科技传感器，通过多媒体交互设备，手机传感器实时记录，手机显示屏实时显示，并通过现场直播方式在seewo触控一体机显示大屏上适时展示加速度—时间图像，图像显示自由落体加速度a=-9.80m/s2，收到了较好的教学效果。学生兴趣高涨，一个个跃跃欲试。随即布置探究作业，放学回家用手机自主探究测自由落体加速度。

4.自由落体运动规律

自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，其运动规律：v=gt  h=1-2gt2。

教师让学生把视频看完，会发现丹麦游乐场体验项目“人从100米高空中自由下落”，它是真实的。

师：它是我们这节课自由落体运动知识的应用，请大家思考：这位探险者将是一种什么样的感觉？

生：害怕、惊险、刺激、痛苦……

师：告诉大家，他是一种“飘飘然”的非常美妙的感觉，他处于完全失重状态。这个问题我们在不久之后进行学习。

设计意图：让学生带着问题离开课堂，可激发学生进一步的探究欲望。

教学反思

《自由落体运动》以创设问题情境为出发点，以实验探究为主线，层层设疑，激发学生认知冲突，实现在生生、师生思维的碰撞中产生火花，有效推进教学。学生分组探究热情高涨，在汇报成果时充分暴露自己的迷思概念，在师生、生生融洽的讨论中逐步感悟、提升，潜移默化地培养学生的核心素养。本课特色如下：

“真”关注：真正关注学生的知识储备、思维特点、生活经验。情境的创设从学生身边熟悉的现象开始——学生做实验，亲身体验，观察下落的快慢。问题的提出，从学生自发生成的疑问开始，有效地將学生的思维引导到对问题的讨论上来，催生了学生学习的自发动力。

“真”为主：课堂以学生为主体，实验学生自己做，问题学生自己提，探究方向学生自己定。在利用打点计时器探究“自由落体的运动性质”时，由学生自己设计实验、操作、处理数据，得出结论。这种课堂教学真正以学生为主的做法，使学生经历并实践了探究物理问题的科学方法，培养了学生科学严谨的治学态度。

“真”探究：在教学过程中，每遇到问题需要探究的环节，放开约束，将活动的时间与空间交给学生，充分地调动学生学习积极性，使学生的身心主动参与到课堂中来：用自制创新大型实验教具“双牛顿管”进行探究，采用手机慢镜头拍摄，精彩回放，把瞬间现象化为永恒，使“探究”真正发生。学生分组探究热情高，在汇报时积极主动，大胆表达自己的想法和意见，暴露出的迷思概念是难得的教学资源，表达出的合理观点彰显了探究对学生观念构建的有效，这种经历体验得到逐步感悟、提升，潜移默化地培养了学生的核心素养，凸显了实验教学的涵养特色。