6伽利略对自由落体运动的研究教学设计和教学实录

6　伽利略对自由落体运动… 高中物理       人教2003课标版

1．知识与技能：

（1）了解亚里士多德和伽利略研究落体运动的历史事实和科学方法；

（2）正确认识自由落体运动，知道影响物体下落快慢的因素，并明白自由落体运动是理想状态下的运动；

（3）能够使用打点计时器得到自由落体运动的运动轨迹，记录位移与时间等运动信息，进而获取物体做自由落体运动的相关信息；

（4）培养观察能力、推理能力。

2．过程与方法

（1）通过日常生活经验——猜想——理论推导——实验验证体会科学探究的方法途径；

（2）通过对落体运动的实验探究，初步学习使用控制变量法。

（3）通过分组实验使用打点计时器记录自由落体运动轨迹，学会数据处理分析的方法；

3．情感态度与价值观：

（1）通过史实、前概念与实际的反差，培养质疑的科学素养。

（2）积极参与讨论，培养逻辑思维能力；

（3）体验物理方法的渗透教育，在研究物理规律的过程中抽象出一种物理模型——自由落体。

        学生在第一章《运动的描述》的学习中，通过对质点的认识，了解物理学研究中物理模型的特点，体会物理模型在探索自然规律中的作用；经历匀变速直线运动的实验研究过程，理解位移、速度和加速度等重要概念的物理意义；体会实验在发现自然规律中的作用，能用公式和图像描述匀变速直线运动，体会数学在研究物理问题中的重要性。

       在此基础上，学习物体运动的一种具体形式——自由落体运动，自由落体运动是自然界中广泛存在的物体自由下落的一种理想模型，是一种典型的匀变速直线运动，学生在学完第一章的基础上及匀变速直线运动的规律，学习一种具体的运动形式，一方面有利于将所学的知识应用于具体的问题中，引发学习的兴趣和动力；另一方面，从匀变速直线运动到自由落体运动的学习，从一般到特殊，体验了严谨的科学过程。

（1）教学重点：认识自由落体运动及影响物体下落快慢的因素

（2）教学难点：从质量、体积、形状等物体属性到外界空气阻力的层层递进关系探究影响物体下落快慢的因素，抽象出物理模型——自由落体。

        我们已经学习了匀变速直线运动，了解了匀变速直线运动的一些规律，今天就让我们一起来学习一种特殊的匀变速直线运动，自由落体运动。

        有人这样说，世界上有三个苹果，第一个被亚当和夏娃偷吃了，第二个被乔布斯偷吃了一口，大家周一晚上看新闻看到了，苹果创始人乔布斯与世长辞了，还有一个苹果砸到一个人头上，大家知道这个人是谁吗?（牛顿），苹果从树上砸到牛顿头上做的就是落体运动。落体运动从字面上理解，就是物体从静止开始下落的所做的运动。在我们的日常生活中普遍存在，大家看看外面的天空，雨滴从高空落下，树叶从树上落下，再看看我手中的粉笔，也从我的手中落下。落体运动如此普遍存在，那么落体运动究竟有什么特点呢？下面就让我们一起来探究落体运动的特点。

        既然落体运动唾手可得，那么我们就来制造落体运动，拿一张白纸和一个硬币，让他们自由下落，大家看看有什么特点？哪个速度快? 为什么呢？好，有的同学说重，恭喜你，如果你生在2000多年前，那么在这个观点上你与当时古希腊的科学明星亚里士多德可以齐名了，他给出了权威的观点：是的，是这样的，重的物体下落得快！在其后的2000多年的时间里，人们一直信奉他的学说。

但是历史的车轮滚滚前进，到了十六七世纪意大利伟大的物理学家伽利略，他发出了质疑，是这样的吗？不是吧？伽利略这样认为必然要给出依据，不然没有人会信服他，他运用简单的科学推理，巧妙地提示了亚里士多德的理论内部包含的矛盾。我们来重现这一巧妙的推理：

        假设有两个不同质量的小球，设重的小球下落速率为8个单位，轻的小球下落速率为4个单位，如果将两个小球绑在一起，整体的质量一定比原来重的小球的质量大，那么按照“重的物体比轻的物体下降得快”的观点，绑在一起的两个小球比单独时候都下落得快。（如多媒体演示）这是我们顺着思维来推理出来的，下面我们逆过来思考并推理一下。

        假设有两个不同质量的小球，设重的小球下落速率为8个单位，轻的小球下落速率为4个单位，如果将两个小球绑在一起，但是，重的小球会被轻的小球拖着，那么整个系统的速率就少于8个单位。（如多媒体演示）

        在这里，我们就从重的物体比轻的物体下落得快的假设，推导出了重物下落得更慢的互相矛盾的结论。所以说，亚里士多德的观点是不正确的。

       老师这有两张一样的相对小的白纸1、2，还有一张大而厚的纸3。

第一步：老师把白纸1和纸3举在同一高度，同时让他们下降，让学生观察哪个先着地。

第二步：把白纸1弄成纸团，并将纸团与纸3举在同一高度，同时让他们下降，让学生观察哪个先着地。

第三步：并弄成纸团的白纸1与白纸2举在同一高度，同时让他们下降，让学生观察哪个先着地。

       可以得到以下的结论：

第一步：重物下降得快；

第二步：轻物下降得快；

第三步：同重物体也有快慢；

结论：物体下落过程的运动情况与物体质量无关，伽利略的观点是正确的。

       大家觉得还跟物体的形状、体积有关，那么，大家可以像以上老师的实验一样，设计实验验证一下，是不是有关。其实物体下落快慢与这些是无关的。既然与物体本身无关，那么可能的因素就在于外界环境，大家大胆地猜想，物体周围存在什么，可能影响到它下落的快慢？（生：空气的浮力）

       在抽去空气之前，牛顿管中的金属片要明显比纸片下落得快，抽去空气之后，金属片和纸片下落得一样快。 

结论：由此可见，空气阻力真的是影响物体下落快慢的因素。

       大家知道，空气只有在地球的表面才有，如果我们把实验搬到别的星球上做，会有什么样的结果呢？登月第一人阿姆斯特朗就在月球的表面上做了落体运动的实验，让我们一起来回顾这一精彩的时刻。看看重锤和羽毛是否同时落地。

       月球上的落体实验再一次验证了空气阻力是影响物体下落快慢的因素。

推论：如果没有空气阻力，只在重力作用下轻重不同的物体下落快慢相同。

       这里下落快慢相同包含了多种情况，两个物体从同一高度静止开始下落，在空中的任意位置的速度相同，从同一时间静止开始下落，那么在空中的任意时刻速度是相同的。

       物理上，我们就把这种没有空气阻力，物体仅在重力作用下，从静止开始下落的运动，叫做自由落体运动。

       下面我们就来判断下面的过程中物体是否做自由落体运动。一个物体在真空中，从A处无初速度释放，受到重力的作用下，分别经过B和C两点，A到B和B到C，这两个过程，物体都是做自由落体运动吗？

答：B到C不是，因为这个过程初速度不为0。

        可见，物体做自由落体运动时是有条件的， 1、初速度为0；2、只受重力的作用，没有空气阻力或空气阻力可以忽略不计。

       不久前，有一则新闻报道，不知道大家有没有了解，5月1日广东特大冰雹——砸坏6162间房屋砸死鸭子击穿铁皮，冰雹在空中的下落可以近似看作自由落体，为什么做自由落体运动的小冰雹有这么大的威力，究竟自由落体运动是一种什么运动呢？当年伽利略得出了影响落体运动快慢的因素是空气阻力之后，他还远远不满足，他也对自由落体运动的性质进行了猜想，并且还付诸行动，用实验去验证他自己的猜想。

        伽利略相信自然界的规律是简洁明了的，他从这个信念出发，猜想落体运动的速度是随时间均匀变化的，也就是说自由落体运动是匀变速直线运动，那么要验证速度正比于时间，就要测量速度，在当时是有难度的，于是伽利略转换角度，验证位移正比与时间的平方，位移可以通过测量得出来，而时间呢？当时没有先进的工具秒表，采用的是水滴计时，由于自由落体运动下落得很快，水滴根本来不及计时，于是伽利略想了一个巧妙的方法，他让铜球从斜面下落，发现小球从任意位置下落，都有位移正比于时间的平方的关系，然后他不断地抬高斜面，发现仍然有同样的结论，于是就伽利略就做了大胆的推测，当斜面抬高到垂直与地面，仍位移正比与时间的平方。这时候小球做的就是自由落体运动，位移正比于时间的平方，说明自由落体运动确实是匀变速直线运动。

       伽利略的科学探究方法是值得我们学习了，从对现象的观察——提出猜想假设——运动逻辑推理得出推论——实验验证——得出结论和推广。从伽利略的斜面实验上，对我们的日常生活也是有很大的启示的，我们要大胆地猜想，小心地求证，条件不允许，但是我们可以创造条件，转换角度，从而克服苦难取得成功。

       到了现在，我们要探究自由落体运动的规律，可就简单多了，我们可以采用打点计时器在这里，我们可以介绍一种频闪照相方法。让一小球做自由落体运动，相机以一定的时间间隔连拍，把底片冲洗出来，就记录下小球不同时刻的位置，这时候分析方法就和纸带的一样了。

        我们多次实验，在使用不同物体进行的反复实验表明，在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同，这个加速度叫做自由落体加速度，也叫做重力加速度，通常用g表示。在同一地点，g的大小是相同的，不同地点不同，随着纬度的增加，也就是越往两极g越大，而地面的高度越高，g越小，一般选9.8m/s 或者是10m/s ，加速度是矢量，方向跟重力的方向相同，竖直向下。

       这节课我们从理论推导和实验探究 知道 落体下落的快慢与质量无关，物体仅在重力作用下，从静止开始下落的运动，叫做自由落体运动。并且要注意，物体做自由落体运动是有条件的，1、初速度为0；2、只受重力的作用，没有空气阻力或空气阻力可以忽略不计。

       并且知道了自由落体运动是初速度为0，加速度为g的匀变速直线运动。

6　伽利略对自由落体运动的研究　

6　伽利略对自由落体运动的研究　

        我们已经学习了匀变速直线运动，了解了匀变速直线运动的一些规律，今天就让我们一起来学习一种特殊的匀变速直线运动，自由落体运动。

        有人这样说，世界上有三个苹果，第一个被亚当和夏娃偷吃了，第二个被乔布斯偷吃了一口，大家周一晚上看新闻看到了，苹果创始人乔布斯与世长辞了，还有一个苹果砸到一个人头上，大家知道这个人是谁吗?（牛顿），苹果从树上砸到牛顿头上做的就是落体运动。落体运动从字面上理解，就是物体从静止开始下落的所做的运动。在我们的日常生活中普遍存在，大家看看外面的天空，雨滴从高空落下，树叶从树上落下，再看看我手中的粉笔，也从我的手中落下。落体运动如此普遍存在，那么落体运动究竟有什么特点呢？下面就让我们一起来探究落体运动的特点。

        既然落体运动唾手可得，那么我们就来制造落体运动，拿一张白纸和一个硬币，让他们自由下落，大家看看有什么特点？哪个速度快? 为什么呢？好，有的同学说重，恭喜你，如果你生在2000多年前，那么在这个观点上你与当时古希腊的科学明星亚里士多德可以齐名了，他给出了权威的观点：是的，是这样的，重的物体下落得快！在其后的2000多年的时间里，人们一直信奉他的学说。

但是历史的车轮滚滚前进，到了十六七世纪意大利伟大的物理学家伽利略，他发出了质疑，是这样的吗？不是吧？伽利略这样认为必然要给出依据，不然没有人会信服他，他运用简单的科学推理，巧妙地提示了亚里士多德的理论内部包含的矛盾。我们来重现这一巧妙的推理：

        假设有两个不同质量的小球，设重的小球下落速率为8个单位，轻的小球下落速率为4个单位，如果将两个小球绑在一起，整体的质量一定比原来重的小球的质量大，那么按照“重的物体比轻的物体下降得快”的观点，绑在一起的两个小球比单独时候都下落得快。（如多媒体演示）这是我们顺着思维来推理出来的，下面我们逆过来思考并推理一下。

        假设有两个不同质量的小球，设重的小球下落速率为8个单位，轻的小球下落速率为4个单位，如果将两个小球绑在一起，但是，重的小球会被轻的小球拖着，那么整个系统的速率就少于8个单位。（如多媒体演示）

        在这里，我们就从重的物体比轻的物体下落得快的假设，推导出了重物下落得更慢的互相矛盾的结论。所以说，亚里士多德的观点是不正确的。

       老师这有两张一样的相对小的白纸1、2，还有一张大而厚的纸3。

第一步：老师把白纸1和纸3举在同一高度，同时让他们下降，让学生观察哪个先着地。

第二步：把白纸1弄成纸团，并将纸团与纸3举在同一高度，同时让他们下降，让学生观察哪个先着地。

第三步：并弄成纸团的白纸1与白纸2举在同一高度，同时让他们下降，让学生观察哪个先着地。

       可以得到以下的结论：

第一步：重物下降得快；

第二步：轻物下降得快；

第三步：同重物体也有快慢；

结论：物体下落过程的运动情况与物体质量无关，伽利略的观点是正确的。

       大家觉得还跟物体的形状、体积有关，那么，大家可以像以上老师的实验一样，设计实验验证一下，是不是有关。其实物体下落快慢与这些是无关的。既然与物体本身无关，那么可能的因素就在于外界环境，大家大胆地猜想，物体周围存在什么，可能影响到它下落的快慢？（生：空气的浮力）

       在抽去空气之前，牛顿管中的金属片要明显比纸片下落得快，抽去空气之后，金属片和纸片下落得一样快。 

结论：由此可见，空气阻力真的是影响物体下落快慢的因素。

       大家知道，空气只有在地球的表面才有，如果我们把实验搬到别的星球上做，会有什么样的结果呢？登月第一人阿姆斯特朗就在月球的表面上做了落体运动的实验，让我们一起来回顾这一精彩的时刻。看看重锤和羽毛是否同时落地。

       月球上的落体实验再一次验证了空气阻力是影响物体下落快慢的因素。

推论：如果没有空气阻力，只在重力作用下轻重不同的物体下落快慢相同。

       这里下落快慢相同包含了多种情况，两个物体从同一高度静止开始下落，在空中的任意位置的速度相同，从同一时间静止开始下落，那么在空中的任意时刻速度是相同的。

       物理上，我们就把这种没有空气阻力，物体仅在重力作用下，从静止开始下落的运动，叫做自由落体运动。

       下面我们就来判断下面的过程中物体是否做自由落体运动。一个物体在真空中，从A处无初速度释放，受到重力的作用下，分别经过B和C两点，A到B和B到C，这两个过程，物体都是做自由落体运动吗？

答：B到C不是，因为这个过程初速度不为0。

        可见，物体做自由落体运动时是有条件的， 1、初速度为0；2、只受重力的作用，没有空气阻力或空气阻力可以忽略不计。

       不久前，有一则新闻报道，不知道大家有没有了解，5月1日广东特大冰雹——砸坏6162间房屋砸死鸭子击穿铁皮，冰雹在空中的下落可以近似看作自由落体，为什么做自由落体运动的小冰雹有这么大的威力，究竟自由落体运动是一种什么运动呢？当年伽利略得出了影响落体运动快慢的因素是空气阻力之后，他还远远不满足，他也对自由落体运动的性质进行了猜想，并且还付诸行动，用实验去验证他自己的猜想。

        伽利略相信自然界的规律是简洁明了的，他从这个信念出发，猜想落体运动的速度是随时间均匀变化的，也就是说自由落体运动是匀变速直线运动，那么要验证速度正比于时间，就要测量速度，在当时是有难度的，于是伽利略转换角度，验证位移正比与时间的平方，位移可以通过测量得出来，而时间呢？当时没有先进的工具秒表，采用的是水滴计时，由于自由落体运动下落得很快，水滴根本来不及计时，于是伽利略想了一个巧妙的方法，他让铜球从斜面下落，发现小球从任意位置下落，都有位移正比于时间的平方的关系，然后他不断地抬高斜面，发现仍然有同样的结论，于是就伽利略就做了大胆的推测，当斜面抬高到垂直与地面，仍位移正比与时间的平方。这时候小球做的就是自由落体运动，位移正比于时间的平方，说明自由落体运动确实是匀变速直线运动。

       伽利略的科学探究方法是值得我们学习了，从对现象的观察——提出猜想假设——运动逻辑推理得出推论——实验验证——得出结论和推广。从伽利略的斜面实验上，对我们的日常生活也是有很大的启示的，我们要大胆地猜想，小心地求证，条件不允许，但是我们可以创造条件，转换角度，从而克服苦难取得成功。

       到了现在，我们要探究自由落体运动的规律，可就简单多了，我们可以采用打点计时器在这里，我们可以介绍一种频闪照相方法。让一小球做自由落体运动，相机以一定的时间间隔连拍，把底片冲洗出来，就记录下小球不同时刻的位置，这时候分析方法就和纸带的一样了。

        我们多次实验，在使用不同物体进行的反复实验表明，在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同，这个加速度叫做自由落体加速度，也叫做重力加速度，通常用g表示。在同一地点，g的大小是相同的，不同地点不同，随着纬度的增加，也就是越往两极g越大，而地面的高度越高，g越小，一般选9.8m/s 或者是10m/s ，加速度是矢量，方向跟重力的方向相同，竖直向下。

       这节课我们从理论推导和实验探究 知道 落体下落的快慢与质量无关，物体仅在重力作用下，从静止开始下落的运动，叫做自由落体运动。并且要注意，物体做自由落体运动是有条件的，1、初速度为0；2、只受重力的作用，没有空气阻力或空气阻力可以忽略不计。

       并且知道了自由落体运动是初速度为0，加速度为g的匀变速直线运动。