高中物理《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》教案（人教版必修1）

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111 必修一2.6 伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究 一、教材分析 本節(jié)內(nèi)容屬于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中共同必須模塊Ⅰ的內(nèi)容，是以往教材所沒(méi)有的。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了自由落體運(yùn)動(dòng)的定義和利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶來(lái)驗(yàn)證“自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)”。新教材專辟這一節(jié)，并無(wú)重復(fù)之嫌。目的是讓學(xué)生深刻體會(huì)到在當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不精確的條件下伽利略如何提出問(wèn)題，遇到什么問(wèn)題，如何突破困難，使學(xué)生身臨其境，領(lǐng)悟其科學(xué)精神，物理思想和研究方法，對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)具有重要的意義。 二、教學(xué)目標(biāo) （一）教學(xué)目標(biāo)： 1、了解伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究思路和方法； 2、能夠合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用圖線法處理。 （二）過(guò)程和方法： 1、經(jīng)歷伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究方法，感悟科學(xué)探究的方法； 2、分組進(jìn)行科學(xué)探究活動(dòng)，完成實(shí)驗(yàn)操作； 3、培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)推理和圖象處理數(shù)據(jù)的能力。 （三）情感目標(biāo)： 1、激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)伽利略敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，善于觀察思考，知難而進(jìn)的優(yōu)秀品質(zhì)； 2、培養(yǎng)學(xué)生耐心細(xì)致的意志品質(zhì)，創(chuàng)新思想和互相協(xié)作的精神。 三、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn) 1、教學(xué)重點(diǎn)： 通過(guò)重現(xiàn)重大發(fā)現(xiàn)的歷史過(guò)程，讓學(xué)生親臨其境探究伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)其科學(xué)思維方法和巧妙的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思。 2、教學(xué)難點(diǎn)： （1）當(dāng)無(wú)法驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，如何引導(dǎo)學(xué)生巧妙設(shè)計(jì)斜面實(shí)驗(yàn)間接驗(yàn)證； （2）引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中怎樣進(jìn)行合理猜想、數(shù)學(xué)推理、合理外推等重要方法。 四、學(xué)情分析 本節(jié)課內(nèi)容通俗易懂，課前可由學(xué)生自主學(xué)習(xí)。上課時(shí)使學(xué)生融入伽利略的角色，如何指出亞里士多德的邏輯錯(cuò)誤，如何提出自己猜想再利用斜面實(shí)驗(yàn)間接驗(yàn)證加以外推。教師以平等地位參與討論，發(fā)表意見(jiàn)。通過(guò)這節(jié)課的探究，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高其科學(xué)素養(yǎng)。 五、教學(xué)方法 教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生閱讀教材，討論、交流。 六、課前準(zhǔn)備 錄像資料、多媒體課件 七、課時(shí)安排 1課時(shí) 八、教學(xué)過(guò)程 （一）預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑 1、教師提問(wèn)：我們?cè)谏弦还?jié)課已經(jīng)學(xué)習(xí)了自由落體運(yùn)動(dòng)知道： （1）定義？（物體只在重力作用下從靜止開(kāi)始下落的運(yùn)動(dòng)） （2）實(shí)質(zhì)？（初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)） 2、教師指出：紙張比石頭下落得慢是由于空氣阻力的影響，但使人誤以為“重物比輕物下落得快”。這正是統(tǒng)治了兩千多年的亞里士多德的觀點(diǎn)。 （二）情景引入、展示目標(biāo) 我們用手拿一個(gè)小球和一張紙片，放開(kāi)后，小球和紙片從靜止開(kāi)始下落.我們可以看到，小球先落地，紙片后落地. 公元前4世紀(jì)，古希臘偉大的思想家、哲學(xué)家亞里士多德（Arestotle）根據(jù)與我們類似的觀察，直接得出結(jié)論：重的物體比輕的物體下落得快. 亞里士多德的論斷流傳了近2 000年，直到16世紀(jì)，在意大利的比薩斜塔上，伽利略做了著名的兩個(gè)球同時(shí)落地的實(shí)驗(yàn).兩個(gè)輕重不同的小球同時(shí)落地的聲音，是那樣的清脆美妙，又是那樣的發(fā)聾振聵！它動(dòng)搖了人們頭腦中的舊觀念，開(kāi)創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理之先河，將近代物理學(xué)以至近代科學(xué)推上了歷史的舞臺(tái). 今天這節(jié)課我們就一起來(lái)經(jīng)歷伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過(guò)程，領(lǐng)悟這位大師的科學(xué)精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鑒. （三）合作探究、精講點(diǎn)播 一、綿延兩千年的錯(cuò)誤 亞里士多德的觀點(diǎn)：物體越重，下落越快. 公元前，人們對(duì)物體下落的研究很少，憑著觀察認(rèn)為重的物體比輕的物體下落得快.當(dāng)時(shí)，著名的思想家亞里士多德（Aristotle，前384～前322）經(jīng)過(guò)了觀察和總結(jié)認(rèn)為“物體下落的速度與重力成正比”.這一觀點(diǎn)正好應(yīng)和了人們潛意識(shí)里的想法；同時(shí)，它又是偉大的亞里士多德提出的論斷，人們深信不疑.從那以后，人們判斷物體下落的快慢，甚至給孩子們上課時(shí)一直堅(jiān)持這一觀點(diǎn)，這一觀點(diǎn)一直延續(xù)了2 000多年，從沒(méi)有人對(duì)它提出異議. 交流與討論：為什么會(huì)有錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)呢？ 錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的根源在于不注意探索事物的本質(zhì)，思考不求甚解. 二、邏輯的力量 學(xué)生閱讀： 16世紀(jì)末，意大利比薩大學(xué)的青年學(xué)者伽利略（Galileo Galilei，1564～1642）對(duì)亞里士多德的論斷表示了懷疑.后來(lái)，他在1638年出版的《兩種新科學(xué)的對(duì)話》一書(shū)中對(duì)此作出了評(píng)論. 根據(jù)亞里士多德的論斷，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大.假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，當(dāng)我們把兩塊石頭捆在一起時(shí)，大石頭會(huì)被小石頭拖著而減慢，結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)的下落速度應(yīng)該小于8；但兩塊石頭捆在一起，總的重力比大石頭還要重，因此整個(gè)系統(tǒng)下落的速度要比8還大.這樣，就從“重物比輕物落得快”的前提推斷出了互相矛盾的結(jié)論，這使亞里士多德的理論陷入了困境.為了擺脫這種困境，伽利略認(rèn)為只有一種可能性：重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快.（傳說(shuō)伽利略在比薩斜塔上做過(guò)落體實(shí)驗(yàn)，但后來(lái)又被嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目甲C否定了.盡管如此，來(lái)自世界各地的人們都要前往參觀，他們把這座古塔看作伽利略的紀(jì)念碑） 問(wèn)題：伽利略是怎樣論證亞里士多德觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的？ 猜想：既然物體下落過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況與物體質(zhì)量無(wú)關(guān)，那么為什么在現(xiàn)實(shí)生活中，不同物體的落體運(yùn)動(dòng)，下落快慢不同呢？我們能否猜想是由于空氣阻力的作用造成的呢？如果沒(méi)有空氣阻力將會(huì)怎樣呢？ 學(xué)生討論后回答. 三、猜想與假說(shuō) 伽利略認(rèn)為，自由落體是一種最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng).他設(shè)想，最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)該是均勻變化的.但是，速度的變化怎樣才算均勻呢?他考慮了兩種可能：一種是速度的變化對(duì)時(shí)間來(lái)說(shuō)是均勻的，即經(jīng)過(guò)相等的時(shí)間，速度的變化相等；另一種是速度的變化對(duì)位移來(lái)說(shuō)是均勻的，即經(jīng)過(guò)相等的位移，速度的變化相等.伽利略假設(shè)第一種方式最簡(jiǎn)單，并把這種運(yùn)動(dòng)叫做勻變速運(yùn)動(dòng). 四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是檢驗(yàn)理論正確與否的唯一標(biāo)準(zhǔn).任何結(jié)論和猜想都必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，否則不成理論.猜想或假說(shuō)只有通過(guò)驗(yàn)證才會(huì)成為理論.所謂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證就是任何人，在理論條件下去操作都能到得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它具有任意性，但不是無(wú)條件的，實(shí)驗(yàn)是在一定條件下的驗(yàn)證，而與實(shí)際有區(qū)別. 閱讀：（課件投影）伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的情況 伽利略在《兩種新科學(xué)的對(duì)話》中說(shuō)： “用一塊木料制成長(zhǎng)約12庫(kù)比特、寬半庫(kù)比特、厚三指的板條，在它的上面劃一條比一指略寬的槽，將這個(gè)槽做得很直，打磨得很光滑，在槽上裱一層羊皮紙（也要盡可能光滑）.取一個(gè)堅(jiān)硬、光滑并且很圓的銅球，放在槽中滾動(dòng).將這個(gè)木槽的一端抬高一到二庫(kù)比特，使槽傾斜.就像我要講的那樣把球放在槽頂沿槽滾下，記錄下降的時(shí)間.實(shí)驗(yàn)要重復(fù)幾次，以便使測(cè)得的時(shí)間準(zhǔn)確到兩次測(cè)定的結(jié)果相差不超過(guò)一次脈搏的十分之一，進(jìn)行這樣的操作，肯定了我們的觀察是可靠的以后，將球滾下的距離改為槽長(zhǎng)的四分之一，測(cè)定滾下的時(shí)間，我們發(fā)現(xiàn)它準(zhǔn)確地等于前者的一半.下一步，我們用另一些距離進(jìn)行試驗(yàn)，把全長(zhǎng)用的時(shí)間與全長(zhǎng)的二分之一、三分之二、四分之三，或者其他任何分?jǐn)?shù)所用的時(shí)間相比較，像這樣的實(shí)驗(yàn)，我們重復(fù)了整整一百次，結(jié)果總是經(jīng)過(guò)的距離與時(shí)間的平方成比例，并且在各種不同坡度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也都如此……” 討論與交流：感受伽利略的探究過(guò)程，體會(huì)其科學(xué)方法 物體做自由落體運(yùn)動(dòng)的速度很快，在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，是很難測(cè)量其位移和相應(yīng)的時(shí)間，有什么方法可以使物體的速度可以慢一點(diǎn)又能研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的？ 讓小球在傾斜的軌道上滾下，傾角不要太大可以嗎？ 當(dāng)時(shí)伽利略就是用這個(gè)方法.他設(shè)計(jì)一個(gè)斜面實(shí)驗(yàn)，使物體的運(yùn)動(dòng)速度變慢，解決了測(cè)量的難題.伽利略在一塊木板上刻出一道直槽，槽內(nèi)貼上羊皮紙使之平滑，用自制的水鐘測(cè)量時(shí)間，探究一個(gè)光滑黃銅小球沿傾斜直槽滑下時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況.我們也可以模擬這個(gè)四百多年前的實(shí)驗(yàn)，感受科學(xué)家的研究方法. 播放影片： ①用形鋁型材，取長(zhǎng)約1.6 ｍ的一段為導(dǎo)軌，以節(jié)拍器為計(jì)時(shí)器.將導(dǎo)軌一端墊高，呈斜面狀，將小球開(kāi)始運(yùn)動(dòng)處作出標(biāo)記. ②調(diào)整時(shí)，啟動(dòng)節(jié)拍器，隨節(jié)拍聲數(shù)數(shù)“3，2，1，0，1，2，3”，將小球在聽(tīng)到節(jié)拍聲“0”時(shí)從原點(diǎn)釋放.一邊隨節(jié)拍聲數(shù)數(shù)，一邊用手順序指出當(dāng)節(jié)拍器響時(shí)，小球大致的位置. ③不改變小球下落的初始位置，只要釋放小球的時(shí)刻準(zhǔn)確，在隨后的各節(jié)拍聲響時(shí)，在小球經(jīng)過(guò)的大體位置上作出標(biāo)記； ④從標(biāo)尺上讀出各標(biāo)記到起始位置的間隔距離，并填入表格中； ⑤改變斜槽的傾斜角，重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次； 伽利略在當(dāng)時(shí)有限的實(shí)驗(yàn)條件研究出初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)中位移和時(shí)間的關(guān)系.現(xiàn)在我們可以用什么儀器比較精確的方法來(lái)記錄時(shí)間和位移進(jìn)行研究呢？ 桌面上有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、小車(chē)、木板，每?jī)晌煌瑢W(xué)為一組，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移和時(shí)間的關(guān)系，并設(shè)計(jì)表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 學(xué)生活動(dòng)：討論并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，5分鐘后進(jìn)行交流. 參考方案： 時(shí)間（s） 位移（cm） 傾角 0.02 0.04 0.06 0.08 …… 30 45 60 …… 1.把小車(chē)軌道的一端墊高，呈斜面狀，把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在斜面最高點(diǎn)上，紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔連在小車(chē)的尾部. 2.打開(kāi)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器開(kāi)關(guān)，然后把小車(chē)從某一位置由靜止開(kāi)始釋放，打出一條紙帶. 3.從紙帶第一點(diǎn)開(kāi)始，測(cè)量從開(kāi)始到每一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間和位移，并填入表格中. 4.改變木板的傾角，把小車(chē)從同一位置從靜止開(kāi)始釋放，并對(duì)從打出的紙帶反映的數(shù)據(jù)填入表格中. 我們已經(jīng)確定了實(shí)驗(yàn)方案，下面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理. 學(xué)生活動(dòng)：兩人為一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理. 從得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們得到什么結(jié)論？ 1、同一傾角時(shí)，在誤差允許的范圍內(nèi)，＝==常數(shù) 即x∝t2. 2、傾角越大，常數(shù)越大. 我們得到的結(jié)論，與四百年前伽利略使用簡(jiǎn)單儀器得到的結(jié)論完全一致. 伽利略根據(jù)斜面結(jié)果出發(fā)，認(rèn)為：在初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)中，經(jīng)過(guò)的距離正比于時(shí)間的平方，即=恒量，恒量的數(shù)值隨著斜面傾角增大而增大.當(dāng)斜面傾角增大到90，即斜面與地面垂直時(shí)，小球?qū)⒆杂上侣?，成為自由落體，x∝t2的關(guān)系仍然成立，此時(shí)的比值為最大，這時(shí)小球仍然會(huì)保持勻變速直線運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，自由落體運(yùn)動(dòng)是一種特殊的勻變速直線運(yùn)動(dòng). 伽利略將實(shí)驗(yàn)與邏輯思維相聯(lián)系進(jìn)行科學(xué)研究的思想，開(kāi)辟了一條科學(xué)研究之路. 五、伽利略的科學(xué)方法 對(duì)現(xiàn)象一般觀察—提出猜想—運(yùn)用邏輯推理—實(shí)驗(yàn)對(duì)推理驗(yàn)證－對(duì)猜想進(jìn)行修證（補(bǔ)充）—推廣應(yīng)用. 伽利略的科學(xué)思想方法的核心是把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推理）和諧地結(jié)合起來(lái)，從而有力地推進(jìn)了人類科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展. （四）、反思總結(jié)、當(dāng)堂檢測(cè) 教師組織學(xué)生反思總結(jié)本節(jié)課的主要內(nèi)容，并進(jìn)行當(dāng)堂檢測(cè) （五）、發(fā)導(dǎo)學(xué)案、布置作業(yè) 這節(jié)課著重分析科學(xué)家是如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，給你最大的啟發(fā)是什么？我們應(yīng)該學(xué)習(xí)伽利略哪些優(yōu)秀品質(zhì)？課外討論，并寫(xiě)成一篇小作文。 九、板書(shū)設(shè)計(jì) 1、綿延兩千年的錯(cuò)誤 2、邏輯的力量 3、猜想與假說(shuō) 4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 5、伽利略的科學(xué)方法 十、教學(xué)反思 本節(jié)課主要由兩部分組成：對(duì)科學(xué)家的了解；對(duì)伽利略科學(xué)方法的學(xué)習(xí)．這兩個(gè)方面主 要是由學(xué)生通過(guò)查資料、預(yù)習(xí)，在老師的引導(dǎo)下，以學(xué)生為主體，進(jìn)行學(xué)習(xí)的。 知識(shí)講授的同時(shí)，給學(xué)生介紹物理學(xué)家、講授物理學(xué)史．不僅讓他們了解物理學(xué)家的工作，物理科學(xué)的發(fā)展過(guò)程，更重要的是通過(guò)了解科學(xué)發(fā)展的曲折性，以此撼動(dòng)學(xué)生的心，讓他們從中獲得啟迪。在后面的教學(xué)過(guò)程中爭(zhēng)取設(shè)計(jì)的更科學(xué)，更有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)，也希望大家提出寶貴意見(jiàn)，共同完善，共同進(jìn)步! 111