6伽利略对自由落体运动的研究优秀教学设计内容

6　伽利略对自由落体运动… 高中物理       人教2003课标版

高一（12）班是一个普通班，共46人，男生22人，女生24人。此时，高一新生的学习习惯还没有完全形成，本节课要通过对物理学史上“大家”们对自由落体运动的探究过程的追踪，让学生初步了解物理概念、物理规律的建立、探究过程。力争让这一过程对学生有所启迪和感悟，给学生留下较深刻的印象。

 1. 了解探索过程，明确探索的步骤，同时感受实验及科学的思维方法在探究中的重要作用，从中提炼自己的学习方法。
2.学会运用数学逻辑推理法处理实际问题，掌握“时间放缓”放大法。

3.追踪j经典实验的设计思想和创新实验的具体操作过程。

构建历史情境，让学生将课前预习准备的内容“逻辑的力量”模块进行呈现交流。

 一、逻辑的力量
1、[做一做]  
老师：用一小钢球和一羽毛同时释放，比较下落快慢，钢球先落地，羽毛后落地。提出轻重不同问题谁下落快慢问题，请同学做好情景剧表演。
2、两学生表演“前置作业”：
穿越历史进入到16世纪，进行情景对话——轻重物体谁先着地？
体会逻辑的力量，体验伽利略归谬法。
3、实验录像：①大卫斯科特，登月第7人月球上自由落体实验  
②牛顿真空管实验。
实验有力验证了伽利略推理的正确性。
（设计意图：通过前置作业，培养学生自学能力，节省时间，培养了学生兴趣；两个真实实验录像让学生明白，实验验证是检验理论正确与否的唯一标准，任何结论和猜想都必须经过实验验证，否则不成理论。）
二、伽利略的科学思想方法
1、猜想与假说
教师点拨：伽利略没有就此止步，他猜想自由落体是一种最简单的变速运动。为什么？
生：自然界的规律就是简单、对称的，所以速度应该是均匀增加的。
老师问：最简单的变速运动，速度应该是均匀变化的，但是，速度的均匀变化于空间，还是相对于时间?
教师带领学生共同探究：一种是速度的变化对时间来说是均匀的，即经过相等的时间，速度的变化相等，另一种是速度的变化对位移来说是均匀的，即经过相等的位移，速度的变化相等。通过讨论逻辑推理得出，第一种假设方式最简单，并把这种运动叫做匀变速运动。
（设计意图：此处结论采用数学推理，老师在黑板上引领，大家共同推出，学生目前水平暂时达不到。）
 
2、实验设计，数学推理
师：实验验证是检验理论正确与否的唯一标准。任何结论和猜想都必须经过实验验证，猜想或假说只有通过验证才会成为理论。
师：大家思考若验证速度正比于时间 ，当时条件下可以测量什么？困难在哪里？
生：速度？不可测！      时间尚可测但是误差较大。
师：请阅读课本，伽利略如何解决这些问题。

生：当时速度不好测，但是由数学推理得，若速度与时间正比，则它的位移与时间的平方成正比。即在相等的时间间隔里速度按自然数增加，而在这些相等的时间间隔里所经过的距离的增量之比则等于从1开始的奇数之比。这样，并不需要测量瞬时速度，只要测定t与对应的s就可以了。所以，伽利略测量位移代替速度的测量。

师：很好， 但是物体做自由落体运动的速度很快，在当时的实验条件下，是很难测量其位移所对应的时间，有什么方法可以使物体的速度可以慢一点又能研究匀变速直线运动的?
生：设计了著名的“冲淡重力”的斜面实验。让小球在倾斜的轨道上滚下．倾角不要太大，减小下落的加速度。
师：很好，当时伽利略就是用这个方法，这叫做时间放大法。他设计一个斜面实验，使物体的运动速度变慢，解决了测量的难题．伽利略在一块木板上刻出一道直槽，槽内贴上羊皮纸使之平滑，探究一个光滑黄铜小球沿倾斜直槽滑下时的运动情况。
师：当时的时间用什么工具？哪种方法来计时最好呢？
生：用自制的水钟测量时间、脉搏计时法、单摆计时法等等。
师：好的，我们现在再来看一看这个四百多年前的实验，感受科学家的研究方法。
(PPT投影)说明伽利略斜面，再现实验装置。
伽利略在《两种新科学的对话》中说：“用一块木料制成长约12库比特、宽半库比特，厚三指的板条，在它的上面划一条比一指略宽的槽．将这个槽做得很直，打磨得很光滑，在槽上裱一层羊皮纸(也要尽可能光滑)，用滴水计时的方法计时。

（设计意图：通过该实验的追踪回忆，培养学生自主探究的能力，体会伽利略逻辑推理方法的巧妙，鼓励学生要敢于猜想，勇于创新。）

 
3、实验探究过程
师：①、借鉴伽利略实验教师简单介绍实验过程，说出我们现在探究时，做出相应的改进措施。（说明： 对于DIS系统，之前上课学生已经都熟悉了，会用）。
②、简单介绍盐水瓶计时器原理以及微力传感器配合运用的方法。
③、安装好仪器，做好准备。
生：①、选出3名到前面按要求操作。
②、其他同学观看操作，共同处理数据，感受伽利略的探究过程，体会其科学方法。
（建议多做一组，若存在较大误差，则分析原因，再多做一组，）

点评：通过该实验的操作，培养学生自主探究的能力，体会伽利略所采用的方法的巧妙，鼓励学生要相信实验、相信自己，大胆发现，敢于发表见解，知道实验成功不是一帆风顺的，对实验误差要学会分析处理。

4、实验数据处理
生：用电子表格处理位移与时间的平方之间的关系。得出，同一倾角时，在误差允许的范围内，x1/t12=x2/t22=x3/t32=x4/t42常数即x∝t2。

教师： 经过多次实验发现，虽然不断改变斜面的倾斜度，但得到的结果有共同点：小球经过的距离的比值等于经过这些距离对应所用时间间隔的平方之比．伽利略在这个基础上进行合理外推，当倾角增大到90度时，实验结论仍应成立，此即竖直落体运动。至此，伽利略就完成了对自由落体运动的研究．

5、师生共同归纳：伽利略科学方法为，观察现象→提出假设→数学逻辑推理→实验进行检验→对结论修正和推广。

（设计意图：通过该实验的数据处理和对实验的总结，得出自由落体运动是一种特殊的匀变速直线运动，伽利略将实验与逻辑思维相联系进行科学研究的思想，开辟了一条科学研究之路。）

三、超越伽利略
1、师：目前我们研究落体运动的方法有哪些 ？
    生：现在方法有：
①、用打点计时器研究法       　② 、用频闪照片研究法　
     ③、用光电门计时器（测速计等）研究法

2、师：“同学们，从图像中我们发现该实验探究结果还存在一定的实验误差，存在该误差的主要原因是什么？恰好我们再实验操作时DIS又多测了一组物理量——用光电门测“细棒通过的时间t2”，对于运动细杆经过光电门位置这一很短的时间t2 我们可以用它间接地测量什么物理量？

生：“因为细杆的宽度很小，而且不变，所以我们可以利用t2测出细杆通过光电门这一位置时的瞬时速度”。

师：“我们能否抛弃滴水记时的时间t1 ，利用刚刚操作得到的时间t2 和位移等其它实验数据，运用数学逻辑推理法，证明自由落体运动的性质呢？”

学生通过小组讨论回答：“由匀变速直线运动公式V22-V12=2as发现当初速度为零时有：V22=2as。即：若小车通过光电门的速度的平方与位移成正比，也可以证明小车做匀变速直线运动。”

3、师：运用电子表格重新选取数据进行分析，同时选取“位移s”和“速度的平方”插入散点图，从创新的图像中进一步得出了自由落体运动的性质是匀变速直线运动这一结论。并且对比两次数据处理结果不难发现这次数据处理方法造成的实验误差明显比开始的做法小得多。

（设计意图：由于第二次处理数据的方法减少了人为的反应时间。这样既验证整个实验探究过程的正确性，又灵活地将“数学逻辑推理方法”再一次得到了练习运用，由于原理设计创新，还减小了实验误差。实现超越了伽利略。这样同学们的思维一直处在发现、猜想、推理、探究、相互碰撞相互交织的过程中，其获得的成就感就不断地得到满足。使物理科学方法得到了一次实战性锻炼和检验。）

 
四、了解伽利略
1、生：介绍我认识的伽利略，小组交流。

2、师：伽利略不迷信权威，对待问题勤于思考，敢于提出问题、挑战权威，不畏强权的精神也是我们应为之喝彩并学习的；1642年，伽利略在贫病交加中逝世，享年78岁，直到1983年，罗马教廷正式承认，350年前宗教裁判所对伽利略的审判是错误的。

（设计意图：通过介绍和交流，培养学生敢于坚持真理，勇于创新的科学精神和实事求是的科学态度，帮助学生树立起辩证唯物主义的认识论。）

本节教后反思：

1、本节课做到了使学生体会到人类对自然世界的探究思想和方法，感受到一位伟大的科学家的高尚情操。教学的过程中通过学生与 “大家”进行“对话”，把“凝固”的文化“激活”，再通过“对话”“激活”过程使学生的心灵受到深刻震撼，使学生与科学探究建立起深深的物理情节，让学生形成良好的习惯不断地去掌握科学探究的方法。

2、让学生感到科学实验真美。物理学家于2003年评出十个最美的物理实验，伽利略的自由落体实验和斜面加速度实验均被选为最美的实验；这种“美”是一种经典概念，即用最简单的仪器和设备，得出最根本、最单纯的科学结论。其实，科学美蕴藏于各门科学的实验之中，有待于我们在学习过程中不断感悟和发现。追寻物理学史就是追寻美，发现美的过程，只有脚踏实地真实地去挖掘史实，才能真正感受到物理的真实和唯美。

3、由于是高一普通班学生，考虑到新生的能力和学习时间比较紧，所以前置作业只是布置到逻辑的力量。而在伽利略的科学方法中，是在老师的引领下进行逻辑分析和科学实验探究，学生略显得有些吃力，若要多给一些时间，进行全面的预习和自主探究，则效果会更好一些。能够完全实现科学方法和生本教育的双丰收。

本实验还有些粗糙，应该还可以再精确一些。

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

构建历史情境，让学生将课前预习准备的内容“逻辑的力量”模块进行呈现交流。

 一、逻辑的力量
1、[做一做]  
老师：用一小钢球和一羽毛同时释放，比较下落快慢，钢球先落地，羽毛后落地。提出轻重不同问题谁下落快慢问题，请同学做好情景剧表演。
2、两学生表演“前置作业”：
穿越历史进入到16世纪，进行情景对话——轻重物体谁先着地？
体会逻辑的力量，体验伽利略归谬法。
3、实验录像：①大卫斯科特，登月第7人月球上自由落体实验  
②牛顿真空管实验。
实验有力验证了伽利略推理的正确性。
（设计意图：通过前置作业，培养学生自学能力，节省时间，培养了学生兴趣；两个真实实验录像让学生明白，实验验证是检验理论正确与否的唯一标准，任何结论和猜想都必须经过实验验证，否则不成理论。）
二、伽利略的科学思想方法
1、猜想与假说
教师点拨：伽利略没有就此止步，他猜想自由落体是一种最简单的变速运动。为什么？
生：自然界的规律就是简单、对称的，所以速度应该是均匀增加的。
老师问：最简单的变速运动，速度应该是均匀变化的，但是，速度的均匀变化于空间，还是相对于时间?
教师带领学生共同探究：一种是速度的变化对时间来说是均匀的，即经过相等的时间，速度的变化相等，另一种是速度的变化对位移来说是均匀的，即经过相等的位移，速度的变化相等。通过讨论逻辑推理得出，第一种假设方式最简单，并把这种运动叫做匀变速运动。
（设计意图：此处结论采用数学推理，老师在黑板上引领，大家共同推出，学生目前水平暂时达不到。）
 
2、实验设计，数学推理
师：实验验证是检验理论正确与否的唯一标准。任何结论和猜想都必须经过实验验证，猜想或假说只有通过验证才会成为理论。
师：大家思考若验证速度正比于时间 ，当时条件下可以测量什么？困难在哪里？
生：速度？不可测！      时间尚可测但是误差较大。
师：请阅读课本，伽利略如何解决这些问题。

生：当时速度不好测，但是由数学推理得，若速度与时间正比，则它的位移与时间的平方成正比。即在相等的时间间隔里速度按自然数增加，而在这些相等的时间间隔里所经过的距离的增量之比则等于从1开始的奇数之比。这样，并不需要测量瞬时速度，只要测定t与对应的s就可以了。所以，伽利略测量位移代替速度的测量。

师：很好， 但是物体做自由落体运动的速度很快，在当时的实验条件下，是很难测量其位移所对应的时间，有什么方法可以使物体的速度可以慢一点又能研究匀变速直线运动的?
生：设计了著名的“冲淡重力”的斜面实验。让小球在倾斜的轨道上滚下．倾角不要太大，减小下落的加速度。
师：很好，当时伽利略就是用这个方法，这叫做时间放大法。他设计一个斜面实验，使物体的运动速度变慢，解决了测量的难题．伽利略在一块木板上刻出一道直槽，槽内贴上羊皮纸使之平滑，探究一个光滑黄铜小球沿倾斜直槽滑下时的运动情况。
师：当时的时间用什么工具？哪种方法来计时最好呢？
生：用自制的水钟测量时间、脉搏计时法、单摆计时法等等。
师：好的，我们现在再来看一看这个四百多年前的实验，感受科学家的研究方法。
(PPT投影)说明伽利略斜面，再现实验装置。
伽利略在《两种新科学的对话》中说：“用一块木料制成长约12库比特、宽半库比特，厚三指的板条，在它的上面划一条比一指略宽的槽．将这个槽做得很直，打磨得很光滑，在槽上裱一层羊皮纸(也要尽可能光滑)，用滴水计时的方法计时。

（设计意图：通过该实验的追踪回忆，培养学生自主探究的能力，体会伽利略逻辑推理方法的巧妙，鼓励学生要敢于猜想，勇于创新。）

 
3、实验探究过程
师：①、借鉴伽利略实验教师简单介绍实验过程，说出我们现在探究时，做出相应的改进措施。（说明： 对于DIS系统，之前上课学生已经都熟悉了，会用）。
②、简单介绍盐水瓶计时器原理以及微力传感器配合运用的方法。
③、安装好仪器，做好准备。
生：①、选出3名到前面按要求操作。
②、其他同学观看操作，共同处理数据，感受伽利略的探究过程，体会其科学方法。
（建议多做一组，若存在较大误差，则分析原因，再多做一组，）

点评：通过该实验的操作，培养学生自主探究的能力，体会伽利略所采用的方法的巧妙，鼓励学生要相信实验、相信自己，大胆发现，敢于发表见解，知道实验成功不是一帆风顺的，对实验误差要学会分析处理。

4、实验数据处理
生：用电子表格处理位移与时间的平方之间的关系。得出，同一倾角时，在误差允许的范围内，x1/t12=x2/t22=x3/t32=x4/t42常数即x∝t2。

教师： 经过多次实验发现，虽然不断改变斜面的倾斜度，但得到的结果有共同点：小球经过的距离的比值等于经过这些距离对应所用时间间隔的平方之比．伽利略在这个基础上进行合理外推，当倾角增大到90度时，实验结论仍应成立，此即竖直落体运动。至此，伽利略就完成了对自由落体运动的研究．

5、师生共同归纳：伽利略科学方法为，观察现象→提出假设→数学逻辑推理→实验进行检验→对结论修正和推广。

（设计意图：通过该实验的数据处理和对实验的总结，得出自由落体运动是一种特殊的匀变速直线运动，伽利略将实验与逻辑思维相联系进行科学研究的思想，开辟了一条科学研究之路。）

三、超越伽利略
1、师：目前我们研究落体运动的方法有哪些 ？
    生：现在方法有：
①、用打点计时器研究法       　② 、用频闪照片研究法　
     ③、用光电门计时器（测速计等）研究法

2、师：“同学们，从图像中我们发现该实验探究结果还存在一定的实验误差，存在该误差的主要原因是什么？恰好我们再实验操作时DIS又多测了一组物理量——用光电门测“细棒通过的时间t2”，对于运动细杆经过光电门位置这一很短的时间t2 我们可以用它间接地测量什么物理量？

生：“因为细杆的宽度很小，而且不变，所以我们可以利用t2测出细杆通过光电门这一位置时的瞬时速度”。

师：“我们能否抛弃滴水记时的时间t1 ，利用刚刚操作得到的时间t2 和位移等其它实验数据，运用数学逻辑推理法，证明自由落体运动的性质呢？”

学生通过小组讨论回答：“由匀变速直线运动公式V22-V12=2as发现当初速度为零时有：V22=2as。即：若小车通过光电门的速度的平方与位移成正比，也可以证明小车做匀变速直线运动。”

3、师：运用电子表格重新选取数据进行分析，同时选取“位移s”和“速度的平方”插入散点图，从创新的图像中进一步得出了自由落体运动的性质是匀变速直线运动这一结论。并且对比两次数据处理结果不难发现这次数据处理方法造成的实验误差明显比开始的做法小得多。

（设计意图：由于第二次处理数据的方法减少了人为的反应时间。这样既验证整个实验探究过程的正确性，又灵活地将“数学逻辑推理方法”再一次得到了练习运用，由于原理设计创新，还减小了实验误差。实现超越了伽利略。这样同学们的思维一直处在发现、猜想、推理、探究、相互碰撞相互交织的过程中，其获得的成就感就不断地得到满足。使物理科学方法得到了一次实战性锻炼和检验。）

 
四、了解伽利略
1、生：介绍我认识的伽利略，小组交流。

2、师：伽利略不迷信权威，对待问题勤于思考，敢于提出问题、挑战权威，不畏强权的精神也是我们应为之喝彩并学习的；1642年，伽利略在贫病交加中逝世，享年78岁，直到1983年，罗马教廷正式承认，350年前宗教裁判所对伽利略的审判是错误的。

（设计意图：通过介绍和交流，培养学生敢于坚持真理，勇于创新的科学精神和实事求是的科学态度，帮助学生树立起辩证唯物主义的认识论。）

本节教后反思：

1、本节课做到了使学生体会到人类对自然世界的探究思想和方法，感受到一位伟大的科学家的高尚情操。教学的过程中通过学生与 “大家”进行“对话”，把“凝固”的文化“激活”，再通过“对话”“激活”过程使学生的心灵受到深刻震撼，使学生与科学探究建立起深深的物理情节，让学生形成良好的习惯不断地去掌握科学探究的方法。

2、让学生感到科学实验真美。物理学家于2003年评出十个最美的物理实验，伽利略的自由落体实验和斜面加速度实验均被选为最美的实验；这种“美”是一种经典概念，即用最简单的仪器和设备，得出最根本、最单纯的科学结论。其实，科学美蕴藏于各门科学的实验之中，有待于我们在学习过程中不断感悟和发现。追寻物理学史就是追寻美，发现美的过程，只有脚踏实地真实地去挖掘史实，才能真正感受到物理的真实和唯美。

3、由于是高一普通班学生，考虑到新生的能力和学习时间比较紧，所以前置作业只是布置到逻辑的力量。而在伽利略的科学方法中，是在老师的引领下进行逻辑分析和科学实验探究，学生略显得有些吃力，若要多给一些时间，进行全面的预习和自主探究，则效果会更好一些。能够完全实现科学方法和生本教育的双丰收。

本实验还有些粗糙，应该还可以再精确一些。

• 优点:

  课堂设计精良，符合学生认知特点。较好

• 缺点:

  无

• 优点:

  精心准备，设计合理，思路清晰，用词严谨。

• 缺点:

• 优点:

  本节课经过了精心的安排和设计，落实了各概念的三维目标，突破了重难点。老师很好地把握住了教材的要求，始终以引导学生为主，启迪学生思维，渗透物理思维和方法。好课！！

• 缺点: