高中物理《伽利略對自由落體運動的研究》教案（人教版必修1）

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111 必修一2.6 伽利略對自由落體運動的研究 一、教材分析 本節(jié)內(nèi)容屬于《普通高中物理課程標準》中共同必須模塊Ⅰ的內(nèi)容，是以往教材所沒有的。學生在學習本節(jié)課內(nèi)容之前，已經(jīng)學習了自由落體運動的定義和利用打點計時器打出的紙帶來驗證“自由落體運動是初速度為0的勻加速直線運動”。新教材專辟這一節(jié)，并無重復之嫌。目的是讓學生深刻體會到在當時實驗設備不精確的條件下伽利略如何提出問題，遇到什么問題，如何突破困難，使學生身臨其境，領悟其科學精神，物理思想和研究方法，對提高學生的科學素養(yǎng)具有重要的意義。 二、教學目標 （一）教學目標： 1、了解伽利略對自由落體運動的研究思路和方法； 2、能夠合理設計實驗，并將實驗數(shù)據(jù)用圖線法處理。 （二）過程和方法： 1、經(jīng)歷伽利略對自由落體運動的研究方法，感悟科學探究的方法； 2、分組進行科學探究活動，完成實驗操作； 3、培養(yǎng)學生進行數(shù)學推理和圖象處理數(shù)據(jù)的能力。 （三）情感目標： 1、激發(fā)了學生學習伽利略敢于向權威挑戰(zhàn)，善于觀察思考，知難而進的優(yōu)秀品質(zhì)； 2、培養(yǎng)學生耐心細致的意志品質(zhì)，創(chuàng)新思想和互相協(xié)作的精神。 三、教學重點難點 1、教學重點： 通過重現(xiàn)重大發(fā)現(xiàn)的歷史過程，讓學生親臨其境探究伽利略對自由落體運動研究的實驗，學習其科學思維方法和巧妙的實驗構思。 2、教學難點： （1）當無法驗證自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動時，如何引導學生巧妙設計斜面實驗間接驗證； （2）引導學生在實驗過程中怎樣進行合理猜想、數(shù)學推理、合理外推等重要方法。 四、學情分析 本節(jié)課內(nèi)容通俗易懂，課前可由學生自主學習。上課時使學生融入伽利略的角色，如何指出亞里士多德的邏輯錯誤，如何提出自己猜想再利用斜面實驗間接驗證加以外推。教師以平等地位參與討論，發(fā)表意見。通過這節(jié)課的探究，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，提高其科學素養(yǎng)。 五、教學方法 教師啟發(fā)、引導，學生閱讀教材，討論、交流。 六、課前準備 錄像資料、多媒體課件 七、課時安排 1課時 八、教學過程 （一）預習檢查、總結疑惑 1、教師提問：我們在上一節(jié)課已經(jīng)學習了自由落體運動知道： （1）定義？（物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動） （2）實質(zhì)？（初速度為0的勻加速直線運動） 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。 （二）情景引入、展示目標 我們用手拿一個小球和一張紙片，放開后，小球和紙片從靜止開始下落.我們可以看到，小球先落地，紙片后落地. 公元前4世紀，古希臘偉大的思想家、哲學家亞里士多德（Arestotle）根據(jù)與我們類似的觀察，直接得出結論：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，在意大利的比薩斜塔上，伽利略做了著名的兩個球同時落地的實驗.兩個輕重不同的小球同時落地的聲音，是那樣的清脆美妙，又是那樣的發(fā)聾振聵！它動搖了人們頭腦中的舊觀念，開創(chuàng)了實驗和科學推理之先河，將近代物理學以至近代科學推上了歷史的舞臺. 今天這節(jié)課我們就一起來經(jīng)歷伽利略對自由落體運動的研究過程，領悟這位大師的科學精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鑒. （三）合作探究、精講點播 一、綿延兩千年的錯誤 亞里士多德的觀點：物體越重，下落越快. 公元前，人們對物體下落的研究很少，憑著觀察認為重的物體比輕的物體下落得快.當時，著名的思想家亞里士多德（Aristotle，前384～前322）經(jīng)過了觀察和總結認為“物體下落的速度與重力成正比”.這一觀點正好應和了人們潛意識里的想法；同時，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一直堅持這一觀點，這一觀點一直延續(xù)了2 000多年，從沒有人對它提出異議. 交流與討論：為什么會有錯誤的認識呢？ 錯誤認識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 學生閱讀： 16世紀末，意大利比薩大學的青年學者伽利略（Galileo Galilei，1564～1642）對亞里士多德的論斷表示了懷疑.后來，他在1638年出版的《兩種新科學的對話》一書中對此作出了評論. 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，當我們把兩塊石頭捆在一起時，大石頭會被小石頭拖著而減慢，結果整個系統(tǒng)的下落速度應該小于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，伽利略認為只有一種可能性：重物與輕物應該下落得同樣快.（傳說伽利略在比薩斜塔上做過落體實驗，但后來又被嚴謹?shù)目甲C否定了.盡管如此，來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念碑） 問題：伽利略是怎樣論證亞里士多德觀點是錯誤的？ 猜想：既然物體下落過程中的運動情況與物體質(zhì)量無關，那么為什么在現(xiàn)實生活中，不同物體的落體運動，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？如果沒有空氣阻力將會怎樣呢？ 學生討論后回答. 三、猜想與假說 伽利略認為，自由落體是一種最簡單的變速運動.他設想，最簡單的變速運動的速度應該是均勻變化的.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時間來說是均勻的，即經(jīng)過相等的時間，速度的變化相等；另一種是速度的變化對位移來說是均勻的，即經(jīng)過相等的位移，速度的變化相等.伽利略假設第一種方式最簡單，并把這種運動叫做勻變速運動. 四、實驗驗證 實驗驗證是檢驗理論正確與否的唯一標準.任何結論和猜想都必須經(jīng)過實驗驗證，否則不成理論.猜想或假說只有通過驗證才會成為理論.所謂實驗驗證就是任何人，在理論條件下去操作都能到得實驗結果，它具有任意性，但不是無條件的，實驗是在一定條件下的驗證，而與實際有區(qū)別. 閱讀：（課件投影）伽利略斜面實驗的情況 伽利略在《兩種新科學的對話》中說： “用一塊木料制成長約12庫比特、寬半庫比特、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）.取一個堅硬、光滑并且很圓的銅球，放在槽中滾動.將這個木槽的一端抬高一到二庫比特，使槽傾斜.就像我要講的那樣把球放在槽頂沿槽滾下，記錄下降的時間.實驗要重復幾次，以便使測得的時間準確到兩次測定的結果相差不超過一次脈搏的十分之一，進行這樣的操作，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的四分之一，測定滾下的時間，我們發(fā)現(xiàn)它準確地等于前者的一半.下一步，我們用另一些距離進行試驗，把全長用的時間與全長的二分之一、三分之二、四分之三，或者其他任何分數(shù)所用的時間相比較，像這樣的實驗，我們重復了整整一百次，結果總是經(jīng)過的距離與時間的平方成比例，并且在各種不同坡度下進行實驗，結果也都如此……” 討論與交流：感受伽利略的探究過程，體會其科學方法 物體做自由落體運動的速度很快，在當時的實驗條件下，是很難測量其位移和相應的時間，有什么方法可以使物體的速度可以慢一點又能研究勻變速直線運動的？ 讓小球在傾斜的軌道上滾下，傾角不要太大可以嗎？ 當時伽利略就是用這個方法.他設計一個斜面實驗，使物體的運動速度變慢，解決了測量的難題.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，用自制的水鐘測量時間，探究一個光滑黃銅小球沿傾斜直槽滑下時的運動情況.我們也可以模擬這個四百多年前的實驗，感受科學家的研究方法. 播放影片： ①用形鋁型材，取長約1.6 ｍ的一段為導軌，以節(jié)拍器為計時器.將導軌一端墊高，呈斜面狀，將小球開始運動處作出標記. ②調(diào)整時，啟動節(jié)拍器，隨節(jié)拍聲數(shù)數(shù)“3，2，1，0，1，2，3”，將小球在聽到節(jié)拍聲“0”時從原點釋放.一邊隨節(jié)拍聲數(shù)數(shù)，一邊用手順序指出當節(jié)拍器響時，小球大致的位置. ③不改變小球下落的初始位置，只要釋放小球的時刻準確，在隨后的各節(jié)拍聲響時，在小球經(jīng)過的大體位置上作出標記； ④從標尺上讀出各標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，重復實驗多次； 伽利略在當時有限的實驗條件研究出初速度為零的勻加速直線運動中位移和時間的關系.現(xiàn)在我們可以用什么儀器比較精確的方法來記錄時間和位移進行研究呢？ 桌面上有打點計時器、小車、木板，每兩位同學為一組，設計實驗，研究初速度為零的勻加速直線運動的位移和時間的關系，并設計表格記錄實驗數(shù)據(jù). 學生活動：討論并設計實驗方案，5分鐘后進行交流. 參考方案： 時間（s） 位移（cm） 傾角 0.02 0.04 0.06 0.08 …… 30 45 60 …… 1.把小車軌道的一端墊高，呈斜面狀，把打點計時器固定在斜面最高點上，紙帶穿過打點計時器的限位孔連在小車的尾部. 2.打開打點計時器開關，然后把小車從某一位置由靜止開始釋放，打出一條紙帶. 3.從紙帶第一點開始，測量從開始到每一個點的時間和位移，并填入表格中. 4.改變木板的傾角，把小車從同一位置從靜止開始釋放，并對從打出的紙帶反映的數(shù)據(jù)填入表格中. 我們已經(jīng)確定了實驗方案，下面進行實驗并對實驗數(shù)據(jù)進行處理. 學生活動：兩人為一組進行實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行處理. 從得到的實驗數(shù)據(jù)，我們得到什么結論？ 1、同一傾角時，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. 我們得到的結論，與四百年前伽利略使用簡單儀器得到的結論完全一致. 伽利略根據(jù)斜面結果出發(fā)，認為：在初速度為零的勻加速直線運動中，經(jīng)過的距離正比于時間的平方，即=恒量，恒量的數(shù)值隨著斜面傾角增大而增大.當斜面傾角增大到90，即斜面與地面垂直時，小球將自由下落，成為自由落體，x∝t2的關系仍然成立，此時的比值為最大，這時小球仍然會保持勻變速直線運動的性質(zhì)，自由落體運動是一種特殊的勻變速直線運動. 伽利略將實驗與邏輯思維相聯(lián)系進行科學研究的思想，開辟了一條科學研究之路. 五、伽利略的科學方法 對現(xiàn)象一般觀察—提出猜想—運用邏輯推理—實驗對推理驗證－對猜想進行修證（補充）—推廣應用. 伽利略的科學思想方法的核心是把實驗和邏輯推理（包括數(shù)學推理）和諧地結合起來，從而有力地推進了人類科學認識的發(fā)展. （四）、反思總結、當堂檢測 教師組織學生反思總結本節(jié)課的主要內(nèi)容，并進行當堂檢測 （五）、發(fā)導學案、布置作業(yè) 這節(jié)課著重分析科學家是如何設計實驗，給你最大的啟發(fā)是什么？我們應該學習伽利略哪些優(yōu)秀品質(zhì)？課外討論，并寫成一篇小作文。 九、板書設計 1、綿延兩千年的錯誤 2、邏輯的力量 3、猜想與假說 4、實驗驗證 5、伽利略的科學方法 十、教學反思 本節(jié)課主要由兩部分組成：對科學家的了解；對伽利略科學方法的學習．這兩個方面主 要是由學生通過查資料、預習，在老師的引導下，以學生為主體，進行學習的。 知識講授的同時，給學生介紹物理學家、講授物理學史．不僅讓他們了解物理學家的工作，物理科學的發(fā)展過程，更重要的是通過了解科學發(fā)展的曲折性，以此撼動學生的心，讓他們從中獲得啟迪。在后面的教學過程中爭取設計的更科學，更有利于學生的學習，也希望大家提出寶貴意見，共同完善，共同進步! 111