《自由落体运动》教学方法评析

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师：既然空气阻力的作用使问题变得复杂，而我们研究问题要从简单 入手，再到复杂，因此先研究没有空气阻力时物体的下落情况（ 理想化模 型）。 事实上，“真空” 是不可能达到的，在空气阻力与物体重力相比很小 时，可以忽略阻力，当作只受重力来研究。
师：事实胜于雄辩，早在 １９６９ 年人类首次登月成功，美国宇航员在一次 登月活动中，就在月球上证实了榔头和羽毛下落一样快。
《自由落体运动》教学方法评析
◆肖优优
（ 浙江温州第五十一中学）
通过分析、介绍了人教版普通高中课程标准实验教科书 枟自由落体运动枠 的教学方法及设计，旨在指导学生深入了解课文的教学 要求，并培养学生的学习能力。
自由落体运动 教学方法 学习能力
一、教材版本 人教版普通高中课程标准实验教科书。 二、教学设计 （ 一） 设计思想 本节课以物理新课程理念为指导，以学生为中心，教师为主导，利用创 设情境、实验观察、理想化研究方法、进行分组实验、对数据进行深入研究， 从不同角度进行数据分析，得出自由落体运动是匀变速直线运动，并求出 加速度。 然后组织学生进行方法交流、互评、误差分析等活动，在教学过程 中掀起高潮。 通过这一系列的活动，使学生能有效地建构自由落体运动的概念和规 律，巩固和扩大学生在匀变速运动方面的认知结构。 提高了学生利用实验 解决问题的能力、数据处理能力和误差分析的能力，是对前两章所学知识 和方法的大综合。 更有意义的是，对学生表达能力、探索精神、质疑和评价 能力的培养也是一次大综合。 教师演示利用 ＥＸＣＥＬ 研究自由落体的运动，拟合出 ｘ －ｔ２ 图象、ｖ －ｔ 图 象，根据斜率，求出重力加速度。 应用所学规律制作“ 反应尺”。 培养学生 乐于接受新事物，善于应用先进技术来研究实际问题的能力 。 （ 二） 任务分析 枟 自由落体运动枠是必修Ⅰ中第二章枟 匀变速直线运动的研究枠 的第 ５ 节，是一种常见的运动。 在学习了描述物体运动的物理量的概念，并掌握了匀变速直线运动规 律的基础上，再对自由落体运动进行研究，显然是把它作为匀变速直线运 动的特例来处理。 它是前几节知识内容的深化，主要通过演示和实验探 究，分析得出其运动规律，明确重力加速度的意义，使学生对其规律有具体 而深入的认识。 而将对落体运动的研究历史，伽利略对自由落体的研究过 程和他的科学思维方法放到下一节课进行学习，那时再将学生的认识上升 到更高的层次。 尤其值得一提的是“问题与练习”第 ４ 题，不仅介绍了一种研究变速运 动的方法———频闪摄影，并以此为契机引导学生学会用从多个角度，用多 种方法处理同一组原始数据，得到相同的结论。 １．知识与技能 （１ ） 认识自由落体运动，知道影响物体下落快慢的因素 ，理解自由落体 运动是在理想条件下的运动 ，知道它是初速度为零的匀加速直线运动 。 （２ ） 能用打点计时器或其他实验仪器得到相关的运动轨迹并能自主进 行分析。 （３ ） 知道自由落体的加 速度， 知 道 它 的 方 向， 知 道 在 地 球 上 的 不 同 地 方，重力加速度大小不同。 （４ ） 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 运用自由落体规律解决实际问题。 （５ ） 初步了解探索自然规律的科学方法 ，培养学生的观察、概括能力。 ２．过程与方法 由学生自主进行实验探究，采用实验室的基本实验仪器———打点计时 器，记录下运动的信息，定量的测定重物自由落体的加速度，探究运动规律 的同时让学生进一步体验科学探究方法 （１ ） 培养学生利用物理语言归纳总结规律的能力 （２ ） 引导学生养成进行简单物理研究习惯，根据现象合理假设与猜想 的探究方法。
ｖ ＝ｇｔ ｙ ＝ｇｔ２ ／２ ｖ２ ＝２ｇｙ 【 虽然是本节课重要的知识点 ，但如果学生基础较好，又经过前面的实 验数据处理，得到这个规律是水到渠成的 。】 巩固： １．问题与练习第 ４ 题，介绍了一种研究变速运动的方法———频闪摄 影，请至少用两种不同的方法处理数据，求出重力加速度。 ２．根据频闪摄影的原理，应用所学自由落体运动规律，求出照相机曝 光时间。 ３ ．如果利用光电计时器来研究自由落体运动规律 ，相对用 打点计时器 研究有什么优势？ 参看课本第 ４０ 页。 思考： 吊桥的高度用石头下落的方法测量是否合理？ 如有，请说明。 生：计时不够准确、声音传播时间未考虑、空气阻力未考虑。 【“问题与练习”第 ３ 题估算题的教学目标完全一致。】 研究性课题： 雨滴从那么高的空中静止开始下落 ，为什么没有把我们砸伤 ？ 四、课后反思 １．引入的创新 由于初中已经接触过，学生知道是由于空气阻力作用造成的，甚至还 知道空气阻力与垂直于运动方向的接触面积大小有关 ，所以对实验本身没 有兴趣，只是懂事地配合老师引入新课课题。 在实际操作过程中显得很 “ 假” ，令人十分郁闷。 事实证明，这样引入比传统引入更贴近学生的认知 。 附“ 传统引入” ： １．不同物体的下落运动，情况是否相同呢？ 演示 １：纸片和粉笔下落 演示 ２：纸团和光盘（平放）下落 演示 ３：纸团和粉笔下落 总结：有时重的物体下落快，有时轻的物体下落快，有时一样快。 ２．大胆地使采用学生所测量的数据。 虽然老师能自己用事先测出的 更有利于计算的数据来进行以上研究，但考虑到学生可能会怀疑数据的真 实性和可靠性，还是用学生测出的数据比较好。 在作图时对误差比较大的 点可以舍去，这样更有利于培养学生的实验能力，并潜移默化地教导他们 对原始数据要做到实事求是，尊重事实。 对其科学精神的培养不能停留在 表面。 ３．本来还安排了利用光电计时器来研究自由落体的运动规律，现在学 校的数字实验室设备完善，完全可以用事先编好的程序来处理数据，后来 担心这样一来会使学生的注意力转移到对设备的熟悉 ，而不是对所学知识 的应用，所以还是用了传统的电磁打点计时器。 今后应多带学生到数字实 验室，培养乐于接受新事物，善于应用先进技术来研究实际问题的能力 。 ４．关于雨滴下落的研究性课题，需要用到牛顿运动定律，学生还没有 学到，在这里提出来有点难 ，但可以促使学生去自学第四章的内容 。 五、课例点评 先前很担心这样设计出的课会不会流于形式 ，但在上课的过程中有了 深刻的体会———学生的能力很强，更多的是需要教师适时引导而非灌输。 本节课学生操作多，对教师的课堂管理能力是很大的挑战，让学生互 评和自评的环节尤其精彩，每个学生都在动脑筋，即使有些同学基础不够 扎实，在听的过程中也学到了很多，也很有收获。 不像有些课，虽然表面热 闹，实际上只是一种繁荣假象。 探究无处不在，如果只注重对规律的应用，那么学生只能成为学习机 器。 只有使学生从在过程中学到方法、提高能力，对其今后的学习和生活 有良好的影响，才是我们所追求的目标。
导出课题并板书：自由落体运动———物体只在重力作用下，从静止开 始下落的运动。
（ 一） 特点（教师板书） １．不同物体运动情况相同 师：下面我们进行分组实验，两人一小组，要求同学们利用打点计时器 研究自由落体运动，用铁架台将打点计时器固定住，要小心。 根据前面所 学过的方法，重点研究：位移和时间的关系、速度和时间的关系、加速度的 特点。 为了节省时间，可以使用计算器。 １０ 分钟后以大组为单位先进行实 验方法与和结果的内部交流，最后四个大组各选出一个同学来展示你们的 成果，ＰＫ 一下，看看哪一组最有水平。 【 教师在巡视过程中不时给予指导和肯定。】 师：数据没有处理完的小组只需说出实验设计方案和预期目标就可以 了。 每组只允许说一种你们认为最好的方法。 组 １：根据测出的位移与时间的数据，看出位移与时间不成正比，随着 时间的推移，点间距越来越大，说明是加速运动。 （ 引来一阵善意的笑，这 不是废话么？） 然后我们把时间平方了一下，找出 ｘ 和 ｔ２ 的关系，发现它们成 正比，说明自由落体运动是静止开始的匀变速直线运动 。 组 ２：我们组先看了一下纸带上的点，发现不是等间距的，说明自由落 体运动是变速运动。 （ 同学们实在忍不住，终于笑了出来，这不更是废话 吗？ 此时该学生瞟了组 １ 的同学一眼，露出坏坏地笑。） 我们学过，如果是 匀变速直线运动，相邻相等时间内的位移之差 ΔＸ ＝ａＴ２ ，结合测量出的数 据就可以确定出自由落体运动是匀变速直线运动 ，还可以算出加速度值。 组 ３：先根据公式 ｖ ＝ｘ ／ｔ 数据求出不同时刻的速度，看得出速度随时间 越来越大，而且基本上是成正比的，得出自由落体运动是匀变速直线运动， 还可以根据 ｖ２ ＝ｖ１ ＋ａｔ 求出加速度。 组 ４：最后才轮到我们组，方法都被他们讲完了，真吃亏。 （该组成员有 点沮丧。） 不过我们算出了加速度是 ９．５ ｍ ／ｓ２ 。 【 教师在学生表达的过程中将他们的观点一一呈现在黑板上，使大部 分学生都能更明白，还有一个功能就是防止学生 “ 翻供” 。】 师：那你就点评一下其他组的方案吧。 组 ４：第一组根本没有提到加速度；第二组和第三组都没有算出加速 度，真是遗憾！ 第 ３ 组的方法好象很麻烦，速度很难算的。 师：给前面三组的同学一次辩解的机会吧。 组 １：我们组算出了加速度，是用 ΔＸ ＝ａＴ２ 算的，不是用我讲的 ｘ 和 ｔ２ 成 正比的办法算的，所以没好意思报出来。 不过我们现在知道怎么计算了， 用 ｘ ＝ｋｔ２ ，求出比例系数，再除以 ２ 就行了。 组 ４：应该是 ｋ 乘以 ２ 才对，因为 ｘ ＝ａｔ２ ／２ ＝ｋｔ２ 。 （ 掌声） 组 ３：我们组用计算器，一点都不难算，还可以看出速度随时间的变化 是均匀的，老师不是说速度的变化也需要研究吗？ 组 ２：我们的办法最省力了，加速度是算出来了，大约 ９．４ｍ ／ｓ２ 。 师：大家用到的方法都很好，表达很清楚，我们可以得出这样的结论： ２．初速度为零的匀变速直线运动 师：但同学们有没有想过，我们除了用公式去分析数据，还有没有别的 更直观的研究方法？ 生：图象法！ 教师操作并投影： 挑一组学生测出的数据，当场利用 ＥＸＣＥＬ 软件处理数据，找出位移与 时间的关系，画出 ｘ －ｔ 图，结果是曲线，不便于研究。 尝试 ｘ －ｔ２ 图，发现是 过原点的直线，证明自由落体运动是匀变速直线运动。 并利用图象的斜率 结合匀变速直线运动的规律，根据 ｘ ＝ａｔ２ ／２ 的公式，并算出加速度。 由这组数据，应用 ＥＸＣＥＬ 还可以方便地算出各点的速度，再作出 ｖ －ｔ 图，过原点的直线，一样可以证明自由落体运动是静止开始的匀加速直线 运动，根据斜率得出加速度。 （ 二） 规律：