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(共27张PPT)
第4节　 自由落体运动
核心素养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任
1.知道自由落体运动的条件。 2.知道自由落体加速度的大小和方向。 1.通过自由落体运动模型的建构，体会伽利略对自由落体运动的研究方法，领悟伽利略的科学思想。 2.掌握自由落体运动的规律，并能解决相关实际问题。 1.通过实验测量自由落体加速度的大小。 2.利用自由落体运动规律测量人的反应时间。 培养实事求是的态度，增强运动规律服务生产生活的意识。
第4节　 自由落体运动
探究一 伽利略斜面实验及比萨斜塔实验
探究二 落体运动PK自由落体运动
探究三 实验：利用智能手机探究自由落体运动
探究四 自由落体运动规律及其应用
探究五 关于那些人和事
1、埃拉托色尼测量地球圆周长实验
2、伽利略的加速度实验
3、伽利略的自由落体实验
4、牛顿的棱镜分解太阳光实验
5、卡文迪许扭矩实验
6、托马斯 杨的光干涉改进实验
7、托马斯 杨的光双缝干涉实验
8、罗伯特 密立根的油滴实验
9、傅科钟摆实验
10、卢瑟福发现核子实验
史上最美丽的十大物理实验（按时间顺序）
史上有这样的十大实验，他们使用最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科学概念，就像是一座座历史丰碑一样，使人们长久的困惑和含糊顷刻间一扫而空，被认为是史上最美丽的十大实验。有请他们按照时间顺序粉末登场……
史上最美十大物理实验颁奖词
图1 伽利略的加速度实验
图2 著名的比萨斜塔
猜想与假说
自然界是简单的，自然界的规律也是简单的。速度应该是均匀变化的。
伽利略
设计实验
困难一：速度无法直接测量
突破： 间接验证
若v0＝0,且
必有
困难二：落体运动时间太快，无法准确测
突破：在斜面上“冲淡”重力，使其加速度减小
探究一 伽利略斜面实验及比萨斜塔实验
伽利略手稿中的一组数据：
能得出什么规律？
时间 1 2 3 4 5 6 7 8
距离 32 130 298 526 824 1192 1600 2104
数据处理
比萨斜塔实验：“落地只差两指宽”
结论外推
教师问题引导
将一张纸和小球
从同一高度自由下落
一张纸
弹力球
提出猜想：如果没有空气阻力，轻重不同的物体下落快慢是一样的
学生实验发现
小球快速先落地，纸片飘落落地
将纸揉成团和小球
从同一高度自由下落
两者几乎同时落地
探究过程：
现实生活中的现象却是这样的……
探究二 落体运动PK自由落体运动
图3 演示实验
重物被轻物拖累
重物轻物
绑一起
逻辑的力量
物体下落的快慢是由物体本身的重量决定的，
物体越重，下落得越快；反之，则下落得越慢。
亚里士多德
伽利略
V12＞8
V1=8
V2=4
4
结论与假设
出现了矛盾！
老亚，你错了。
一、自由落体运动定义：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫做自由落体运动。
1.只受重力
2.由静止开始下落
二、性质：
自由落体运动是一种什么性质的运动
猜想？
实验验证
探究二 落体运动PK自由落体运动
【没有空气阻力等其它力,或者空气阻力相对重力比较小而忽略不计做近似处理】
落体运动：物体下落的运动生活中统称落体运动，可能有空气阻力也可能没有空气阻力。
【初速度为零】
站在巨人的肩膀上
现在我们不必用斜面来“冲淡重力”，可以对落体运动精确地“计时”、“定位”，直接研究落体运动的性质。
现代研究落体运动的方法 ：
1、“自由落体频闪照片”求加速度
2 、用打点计时器研究纸带求出加速度
3、其它方法（测速计等）
4、手机录像逐帧截取
探究二 落体运动PK自由落体运动
根据学过的知识，现代研究落体运动的仪器有哪些呢？
A、连续相等时间的位移差Δx=aT2
B、初速度为零的匀加速直线运动从零时刻起，在连续相等时间内的位移之比等于（x1∶x2∶x3∶…=1∶3∶5∶…）
C、初速度为零的匀加速直线运动从零时刻起，在ts内、2ts内、3ts内…的位移之比等于（xⅠ∶xⅡ∶xⅢ∶…=1∶22∶32∶…）
D、位移与时间关系x= at2/2，建立x-t2图象，看位移与时间成正比关系。
E、根据一段时间的平均速度等于这段时间中点的瞬时速度，计算各点速度大小，再由v=at,看速度与时间是否是正比的关系……
同学根据刚才提出的方案，判断自由落体运动是否是初速度为零的匀加速直线运动。经数据验证，假设成立。
探究二 落体运动PK自由落体运动
根据学过的知识，验证匀变速直线运动的方法有哪些呢？
探究三 实验：利用智能手机探究自由落体运动
图4 传统实验室实验
图5 将创新实验搬回家
打点计时器 PK 手机录像逐帧截取
（一）实验目的：利用智能手机研究自由落体运动
（二）实验器材：
智能手机（本实验以三年前购买荣耀9为例），手机支架，电脑（里面装qq影音、WPS等软件），刻度尺，小球
（三）实验原理:
智能手机录像技术是利用电子快门通过智能曝光每秒形成30帧或60帧图象，图象逐帧播放，人的视觉就形成连续画面。以本人所用华为荣耀9为例，录像视频分辨率设置中可以达到（16:9）1080P，60fps和（16:9）4K、30fps标准，即最快可以每秒提取60帧静止图象，相邻两帧图像的间隔是1/60s，理论上比打点计时器的0.02s还要精确，相当于频闪照相功能。
实验 利用智能手机研究自由落体运动
探究三 实验：利用智能手机探究自由落体运动
电磁铁
（吸住小球）
小球
（染成红色）
刻度尺
（0.5cm）
缓冲装置
（内置多层餐巾纸）
铁架台
手机支架
智能手机
【录像能满足1080P 60fps】
绝大多数手机都能满足
（四）实验过程
1.录像
（1）将小球吸在电磁铁下端，小球中心位置放在所造刻度板零刻线平行处，等待稳定。
（2)将手机录像设置成（16:9）1080P,60fps模式，调焦对准刻度尺，点击开始录像，等待手机在支架上完全稳定，打开电磁铁开关释放小球，小球下滑完毕后停止录像
(3)利用qq将录像文件原图传到电脑。
探究三 实验：利用智能手机探究自由落体运动
图7 实验器材
2.逐帧截取
⑶用qq影音在小球下滑过程逐帧播放（按住F键即逐帧播放）并逐帧截图（同时按下Alt+A）全部截取完毕后进行截图编号，未动前速度为零瞬间编号为0，以此类推，若编号为x，则下落x/60s。
图8 使用qq影音进行逐帧播放、截屏、逐帧编辑序号
图9 点击二维码看实验过程
探究三 实验：利用智能手机探究自由落体运动
【特别注意】小球第一帧图象因为下落不到2mm，截图是否看到请注意，有可能看到的已经为第2帧。
1.小球所在位置的坐标读数方法
静止时小球中间位置在零刻线处，后续因为运动而出现重影，则读重影中间位置的坐标即可。例如：下图是对小球某帧图片（未动的图片计数为0）的处理
通过图片放大找到中间位置估读为4.0cm。 若读阴影下面位置为4.5cm
（五）数据处理
图10 研究小球自由落体时某帧图片
图11 图片放大后估读数据
探究三 实验：利用智能手机探究自由落体运动
2.在Excel表格输入如下图所示数据表格
3.利用Ecel插入（x，y）散点图，并用渐近线进行拟合
数据分析结果：通过软件数据输入进行线性拟合，能得到
数据编号 帧序号 t(s) t2 h
0 0 0 0
1 2 0.033333333 0.001111111
2 4 0.066666667 0.004444444
3 6 0.1 0.01
4 8 0.133333333 0.017777778
5 10 0.166666667 0.027777778
6 12 0.2 0.04
结论：自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动。
探究三 实验：利用智能手机探究自由落体运动
数 据 组 号 帧 序 号 t2 倾角 约 20度s1 倾角 约 40度 s2 倾角 约 60度 s3 倾角 约 80度 s4 自由
落体
h
0 0 0 0 0 0 0 0
1 6 0.01 0.03 0.025 0.037 0.033 0.05
2 12 0.04 0.06 0.075 0.12 0.13 0.19
3 18 0.09 0.12 0.155 0.255 0.285 0.44
4 24 0.16 0.20 0.27 0.44 0.50 0.78
5 30 0.25 0.30 0.405 0.66 0.78 1.23
6 36 0.36 0.42 0.58 0.93 1.125 1.79
7 42 0.49 0.56 0.78 1.26 1.525
8 48 0.64 0.72 1.01 1.64
9 54 0.81 0.91 1.28
10 60 1 1.11 1.575
11 66 1.21 1.34
12 72 1.44 1.58
表1 五组斜面不同倾角下小球运动相关数据表格
图13 利用Ecel插入散点图，
用渐近线拟合
我疫情期间在家用手机录像逐帧截取斜面实验
图12 模仿伽利略斜面实验装置图
a=g【定值】
匀变速直线运动
初速度为零匀变速直线运动
自由落体运动
探究四 自由落体运动规律及其应用
初速度加速度知道
知一推多
1.在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同，叫做自由落体加速度，也叫重力加速度，用g表示.
2.g是矢量，方向竖直向下.
3.g在赤道最小，在两极最大。一般的计算中可以取 9.8 m/s2或10m/s2。
自由落体加速度
探究四 自由落体运动规律及其应用
1.小球自由落体过程中的空气阻力（造成实验结果偏小）
2.读小球做在位置时采用模糊图像估读（对实验结果偏大偏小不确定）
3.智能手机和软件处理的系统误差分析（实验结果偏大的可能原因）
⑴录像技术中是否存在每秒录制达不到60帧，造成实验结果偏大
⑵手机录像运行过程中可能有延迟现象，造成实验结果偏大
⑶在qq影音逐帧截取过程中的第一帧和物体自由释放的瞬间有时间差
⑷qq影音逐帧截取技术每秒达不到60帧，造成实验结果偏大
（六）误差分析
易犯错误：第一帧没注意！！！！
探究三 实验：利用智能手机探究自由落体运动
C
探究四 自由落体运动规律应用
【例1】踢毽子是我国民间的一项体育游戏，
被人们誉为“生命的蝴蝶”。近年来，踢毽
子成为全民健身活动之一。毽子由羽毛和铜
钱组成，在下落时总是铜钱在下羽毛在上，
如图所示，对此分析正确的是（ ）
A．铜钱重，所以总是铜钱在下羽毛在上
B．如果没有空气阻力，也总是出现铜钱
在下羽毛在上的现象
C．因为空气阻力的存在，所以总是铜钱
在下羽毛在上
D．毽子的自由下落是自由落体运动
C
C
探究四 自由落体运动规律应用
【例2】从六层楼上自由落下一个果壳，已知每层楼高2.89米，求果壳落到地面的速度？若一辆汽车的速度为60km/h，则果壳和汽车的速度那个大？这样的果壳对楼下的行人有无危害？
解：六层楼距地面实际高度应该为：
h=5×2.89m=14.45m
根据自由落体运动规律
果核的速度比汽车的速度大，对行人有害。
小结
性质
规律
应用
初速度为零
的匀加速直线运动
条件
V0=0
只受重力
自由落体运动
1．下列说法正确的是（ ）
A．物体竖直向下的运动是自由落体运动
B．自由落体运动是初速度为零，加速度为g的竖直向下的匀加速运动
C．物体只在重力作用下从静止开始的下落运动叫自由落体运动
D．当空气阻力作用比较小，可忽略不计时，物体自由下落可视为自由落体运动
2．关于重力加速度下面四种说法正确的是（ ）
A．重力加速度表示自由下落的物体运动的快慢
B．重力加速度表示自由下落物体运动速度变化的大小
C．重力加速度表示自由下落物体运动速度变化的快慢
D．轻、重物体的重力加速度不同
3．一物体从楼上自由下落，经过高为2m的窗户所用的时
间为0.2s，物体是从距离窗顶多高处自由落下的？
当堂检测
BCD
C
作 业：
1.课后 《问题与练习》
2.手机录像逐帧截取实验条件课下具备，利用放假时间按照本次实验过程多做几次，自己做图象分析验证自由落体规律
3.注意后续学习过程中利用手机录像逐帧截取进行物理实验的推广。
图3 <<加油向未来>>“大牛顿管”
图2 实验室“牛顿管”实验
图1 伽利略比萨斜塔实验
“落地只差两指宽”
探究五 关于那些人和事
伽利略创立近代科学时用了三个方法：实验方法、数学方法和思想实验方法。在其后的200中，自然科学迅猛发展，涌现出了许许多多物理学巨匠，当人类进入20世纪时，思想实验的方法突然被频繁的运用起来。爱因斯坦创立了相对论，当人们离开伽利略的船舱来到爱因斯坦的火车上时，关于尺缩效应、关于同时的相对性、关于只有在高速世界里才可能发生的奇妙景象，被爱因斯坦用思想实验论述得合情合理。波尔和爱因斯坦关于量子的概率进行争论时，他们用思想实验进行辩论，让人类看到世界上第一流的科学巨匠是怎样畅游在理念的世界里。当今人们建立了大爆炸宇宙模型，当代理论物理学家霍金站在人们面前演讲的时候，谈到世界是十维的，并说了一句意味深长的话：我们看到的世界就是火光照在洞壁上的影子啊！
为了纪念伽利略的伟大贡献，1993年4月8日，来自世界各地的科学家把木球、铝球、塑料球等不同材料制成的小球从比萨斜塔上44 m高处同时静止释放，用精密电子仪器和摄像机记录，结果发现所有小球 落地 。
几乎同时以同一速度
探究五 关于那些人和事
他是谁？
他的全部作品有47部留存。
他的著作包括天文学、
动物学、地理学、地质学、
物理学、解剖学、生理学、
伦理学、心理学、经济学、
政治学、修辞学、美学。
恩格斯称他是“最博学的人”。
名言：“吾爱吾师，吾更爱真理”
Aristotle
前384～前322
关于伽亚里士多德
探究五 关于那些人和事

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