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2.4 自由落体运动
【教材分析】
自由落体运动，是完成匀变速直线运动的相关规律的学习后，运用这些规律解决具体问题的一次尝试。自由落体运动作为匀变速直线运动的特例，其运动规律对学生来说并不难掌握，但两千多年来人们一直对其认识不清，直到伽利略的出现，才为人们研究落体运动提供了新的方法，使人们发现事物的本质规律。故本节的关键是让学生经历抽象概括和推理的过程，通过实验探究自由落体运动，体会基于事实证据和科学推理对不同观点和结论进行质疑、分析和判断的科学研究方法。
【教学目标与核心素养】
【物理观念】了解亚里士多德关于力与运动的主要观点；了解伽利略研究自由落体运动的实验和推理方法；了解重力加速度的概念，掌握其大小、方向，知道地球上不同地点的重力加速度可能会不同。
【科学思维】体会基于事实证据和科学推理对不同观点和结论进行质疑、分析和判断的科学研究方法。
【科学探究】体会在逻辑推理的基础上，提出问题，再通过实验，解决问题，做出合理推理的过程，从而探究自由落体运动的规律。复习使用打点计时器测量物体运动的方法。
【科学态度与责任】科学起源于人对自然现象的好奇，科学的发展源于质疑和创新，体会技术对科学发展的重大意义。
【课时安排】
1课时
【教学过程】
[新课导入]
让轻重不同的两个物体从同一高度同时下落（比如熟透的苹果和秋叶），哪个物体下落得快？原因是什么？
古希腊学者亚里士多德：物体下落的快慢和它的轻重有关，重的物体下落得快（其后两千多年被奉为经典）。
两千多年后……
伽利略：重的物体下落得快，这是真的吗？（演示实验：两张一样的纸，一张揉成团，一张是纸片，观察下落的快慢。）
推理：假设大石头下落速度为8，小石头下落速度为4，当两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着变慢，整个物体下落的速度应该小于8。但是，把两块石头捆在一起后，整个物体比大石头还要重，因此整个物体下落的速度应该大于8。矛盾！！！
学生猜测：重的物体与轻的物体应该下落得同样快！
老师问题：轻重不同的物体下落的情况到底是怎样的呢？
轻重不同的物体下落快慢的研究：
①课堂演示牛顿管实验
②播放有少量空气的牛顿管实验和与大气相通的牛顿管实验的慢放对比视频
科学推理：如果完全没有空气（真空），羽毛的下落是不是更快？能否和铁片同时落地？
③播放真空中的实验视频
结论：如果没有空气阻力，所有物体下落的快慢都一样。
[新课讲授]
一、自由落体运动
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，叫作自由落体运动。（在有空气的空间，如果空气阻力的作用比较小，可以忽略，物体的下落可以近似看作自由落体运动。）
老师：自由落体运动到底是一种怎样的运动呢？速度如何变化？加速度如何变化？
二、自由落体加速度
实验探究自由落体运动的规律
①怎样测物体运动的速度、加速度？
②怎样设计实验？
③演示实验，换用不同质量的物体重新实验。
④数据处理（参照第二章第一节）：图像法
⑤结论：自由落体运动是初速为0的匀加速直线运动，且加速度的数值接近9.8 m/s2。
自由落体加速度（g）：
(1)方向：竖直向下（但不一定垂直地面）；
(2)大小：①在同一地点，重力加速度都相同。
②不同的地点，其大小随纬度的增加而增大，赤道上最小，两极处最大。但各处的重力加速度都接近9.8 m/s2，一般计算中g取9.8 m/s2或10 m/s2。
问题：如何判断纬度的高低？
问题：为什么纬度越高，重力加速度最大？（为以后的万有引力埋下伏笔，无须具体解释）
做一做：利用手机传感器（phyphox）测量重力加速度。
问题：根据自由落体运动的规律，请同学们推断出其速度公式、位移公式以及位移速度公式。
学生：自由落体运动是匀变速直线运动，只需将这些公式中的初速度v0取0、a取g就可以了。
①由v=v0+at可推出自由落体运动的速度公式v=gt。
②由x=v0t+at2可推出自由落体运动的位移公式h=gt2。
③由v2-v02=2ax可推出自由落体运动的位移速度公式v2=2gh。
【例1】关于自由落体运动，下列说法中正确的是(　　)
A．物体竖直向下的运动就是自由落体运动
B．做自由落体运动的物体只受重力的作用
C．自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动
D．物体做自由落体运动的加速度大小与其质量有关
【解析】自由落体运动是初速度为零，加速度为g的运动，物体竖直向下的运动的加速度不一定是g，所以不一定是自由落体运动，A项错误；做自由落体运动的物体只受重力的作用，是初速度为零的匀加速直线运动，故B、C两项正确；物体做自由落体运动的加速度大小与其质量无关，D项错误。
【答案】BC
【例2】为了得到塔身的高度(超过5层楼高)数据，某人在塔顶使一颗石子做自由落体运动。在已知当地重力加速度的情况下，下列测定的几组物理量，能求出塔身的高度的是(　　)
A．最初1 s内的位移B．石子落地的速度
C．最后1 s内的下落高度D．下落经历的总时间
【解析】知道石子落地的速度，利用v2=2as可以求出高度，所以B项正确；设全程时间为t，知道最后1 s内的位移，利用公式x=at2可以计算出高度，所以C项正确；知道下落经历的时间，同样利用公式x=at2，也可求出高度，所以D项正确。
【答案】BCD
【例3】同一高度同时以20 m/s的速度抛出两小球，一球竖直上抛，另一球竖直下抛。不计空气阻力，取重力加速度为10 m/s2。则它们落地的时间差为(　　)
A．4 s B．5 s C．6 s D．7 s
【解析】根据竖直上抛运动的对称性知，当竖直上抛小球重新回到抛出点时，速度大小与初速度大小相等，方向与初速度方向相反，此后的运动与从抛出点以大小相等的速度下抛相同，则时间差Δt==4 s。故A项正确。
【答案】A
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匀变速直线运动规律自由落体运动规律

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