逻辑思维拨云,科学实验见日

2017-07-01 21:05折战伟
中学课程辅导·教学研究 2016年20期
关键词:伽利略斜面物体

折战伟

中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1992-7711(2016)10-0095

一、教材分析

本节内容为人教版普通高中课程标准实验教科书物理必修1第二章第6节《伽利略对自由落体运动的研究》。主要介绍伽利略研究自由落体运动的科学方法和巧妙的实验构思。重在承上启下和对学生进行过程与方法、情感态度与价值观教育。对学习者而言,像科学家那样思考和探求,才能有所收获。

二、学情分析

学生已经掌握了关于匀变速直線运动的基本规律,但对自由落体运动的理解容易受主观经验的影响,对规律的认识不严谨,不了解前人是怎样得到这些简洁的规律的。

三、教学目标

1. 知识与技能

(1)了解伽利略研究自由落体运动的探究历史。

(2)了解伽利略研究自由落体运动的科学方法和巧妙的实验构思。

2. 过程与方法

通过伽利略对自由落体运动的研究,体验科学研究的方法。

3. 情感态度与价值观

通过学习伽利略对自由落体运动的研究,培养学生热爱科学,勇于探索,坚持真理的高尚情操。

四、课时安排1课时

五、教学过程

引入:上一节课,我们研究了自由落体运动,我们只用了一节课就把自由落体运动解决了,但在历史上,人们对自由落体运动的研究经历了很长的时间,后来,伽利略对自由落体运动的研究过程,开创了科学研究的新时代,自由落体实验被评为最美的十大物理实验之一,本节课,我们一起来追寻先哲的足迹,一起来感受一下,当时伽利略是怎么来研究自由落体运动的。

首先,要求学生用8分钟时间阅读课本内容。

板书——《伽利略对自由落体运动的研究》

1. 绵延两千年的错误

提出问题:错误为何能绵延两千年?伽利略如何推翻亚里士多德的论断?

亚里士多德认为物体下落的快慢是由它们的重量决定的。

2. 逻辑的力量

师:讲述伽利略利用逻辑推理推翻亚里士多德论断的过程,得出伽利略的论证方法——反证法。

师:既然不是“重物下落的快”,那我们看到“重物下落的快”的原因是什么?

生甲:(因为空气对不同的物体的阻力不相同。生活中,我们无法忽略空气阻力,所以我们看到“重物下落的快”。)

师:如果空气阻力影响比较小的时候,应该是?

生甲:(一样快!)

教师展示比萨斜塔实验的图片

现在实验手段先进了,我们还可以把空气阻力进一步忽略,教师让学生观察牛顿管中羽毛和铁片的下落,比较有空气和空气抽得非常稀薄的两个管中羽毛和铁片运动的区别。

学生观察并得出结论:在阻力可忽略的情况下,重物与轻物应该下落同样快。

师:有没有绝对真空的环境?我们想到了外太空,大家了不了解美国人登上月球以后做的自由落体的实验?

教师现场百度输入“阿波罗自由落体”,并播放视频“阿波罗15号——月球上的自由落体”。

师:这就是实验条件进一步先进之后,我们现在看到的情况。伽利略抓住了物体下落的主要原因,忽略了影响物体下落的次要因素——空气阻力,从而得出了正确的结论。如果说伽利略的研究仅仅停留在这一步的话,我们还没法说他开创了科学研究的新时代,伽利略继续推进,既然物体下落是加速的,基于物体下落的规律应该是简洁的这一认识,他提出:速度变化是均匀的。你怎么看待“速度变化是均匀的”?

生乙:(每秒钟速度的变化是一样的。)

师:那时候秒的概念都不清晰,只可能有大致的时间概念,这是一种说法,速度随时间均匀变化,还有呢?

生丙:(速度随距离均匀变化。)

师:是不是有种种说法?伽利略也想到了这些问题,经过一系列的推理,他想到了速度随距离均匀变化太复杂了,有可能是速度随时间均匀变化。我们要追问,他当时怎样去验证这个东西?追问之前强调两点,一是当时没有严格意义上的运动学的概念,二是没有光电门、秒表之类的仪器。那么,他是怎么验证的?

3. 假设猜想v∝t

师:伽利略设计了怎样的实验?

生丁:(为了延长时间,伽利略做了斜面。)

师:这相当于一个延缓了的自由落体运动,那他怎样验证v∝t?

学生思考后,难以回答。

师:故意难为你们的,伽利略很聪明,在没有任何物理概念的情况下,他经过数学推理得到,如果速度v和时间t成正比,那么,物体经过的位移应该正比于t的平方。这是一种转化的思想。这样转化以后,我们再考虑,在实际操作中,我们必须要解决哪些问题?会存在什么困难?给同学们2分钟的思考时间。

4. 实验验证

师:谁来说一说,要解决哪些困难?

生戊:(伽利略用斜面来延长物体运动的时间。)

教师展示一个长约2米的斜面

师:时间延长以后,怎样测量时间?那时候又没有秒表。

生戊:(靠水滴,滴一滴水算一个时间节点。)

教师展示滴水装置(输液瓶,下端塑料管口用夹子夹住),然后将斜面放在桌上,让一小车沿斜面滑下,学生感知下滑时间很短,这段时间大概能滴两三滴水。

师:如果时间刚好在第三滴与第四滴之间,那“半滴”的时间是要忽略掉吗?然后再来一个平方,误差大还是小?肯定比较大。刚有同学说了,可以调节斜面倾角,来延长时间。那还有没有别的办法,把时间延长?

生:(用较长的斜面)

师:对,告诉大家,伽利略做实验的时候,斜面长6米,问题解决了。还要解决哪些困难?告诉大家,你那样滴水,算时间是不准的,别看教材上真写的滴水法。

生己:(每秒从管中流出水的质量是一定的,我们可以测量物体沿斜面下滑过程中,从管中流出水的质量。)(此处应该有表扬)

师:如果处理的好的话,水的流速是恒定的,那就是说:我们要用质量来代替时间。能还是不能?

学生思考后觉得:能

师:我们得出,時间和水的质量成正比。那我们还用“滴水”吗?不用滴水,直接用流水。流出水的质量和时间成正比,这就是伽利略提出的“水钟”。6米长的斜面,用水钟放水,然后用天平测水的质量,当然我们也可以测水的体积。

然后,教师找两名同学上台模拟操作伽利略的实验,体验伽利略的测量过程。学生测量后只得到很少量的水,教师提出了新的问题:怎样减小测量水的质量的误差?

生:(用粗管)

师:粗管虽然流出的水多了,但是不好控制水流的速度,而且另外的影响因素也不好控制了。

学生思考后仍然得不到合理解决方案。

教师进一步启发,最后得到“累积法”。我们在一个位置释放物体,测量十次物体下滑的时间,在另一个位置同样测量十次,只要都是十次,可以用十次的总量来表示时间,再看x是否与t的平方成正比。这样就减小了实验的误差。这个实验伽利略做了几百次。

教师追问:斜面实验的结论是什么?

学生答:1. 沿斜面滚下是做匀加速直线运动;2. 不同质量不同高度滚下,只要斜面的倾角一定,小球的加速度都是相同的;3. 增大倾角,加速度增加。

教师讲,伽利略的实验在当时引起了很大的轰动,因为给了他们全新的视角。教师再发问:斜面实验结论怎样到自由落体?

生庚:(不断增大斜面倾角,最后达到90度,这时候小球做的就是自由落体运动。)

教师接着讲,他用到了极限的思想,推出了自由落体运动。

为什么说伽利略在文艺复兴基本完成之时,开启了近代科学的序幕?为何有如此高的评价?你怎么想?

生辛:(伽利略提出了速度、加速度等物理学概念;尝试了许多新的逻辑推理的方法;进行了实验。)

教师总结:确立了许多描述运动的基本概念;实验和逻辑推理(包括数学验算)和谐地结合,发展了人类的科学思维方式和研究方法;这就是我们为什么要说他开启了近代科学的序幕,也是我们为什么一定要单独用一节课来研究。回顾伽利略的科学研究方法:研究落体运动→提出假设(v∝t)→逻辑(数学)得出推论(x∝t2)→对推论进行检查(小球在斜面上运动实验)→对假说修正和推广(外推至落体运动);另外,伽利略对天文领域突破性的理论摧毁了传统“科学”框架的禁锢,打开了科学繁荣的大门……因此,爱因斯坦这样评价他:“伽利略的发现以及他所应用的科学的方法,标志着物理学的真正开端。”伽利略之前的科学踯躅于泥途荒滩,因而千年徘徊。从伽利略开始,人才辈出,经典如云,近代科学的大门从此打开了。

六、教学设计思路分析

本节课,主要让学生了解科学发展的艰苦、曲折。让学生学习科学家研究问题的科学态度、科学方法和科学精神。通过展现伽利略研究自由落体运动的经过,培养学生坚定、求实的学习态度和严谨、创新的学习精神。重在对学生进行过程与方法、情感态度与价值观教育!

注:本文系2016年度甘肃省“十三五”教育科学规划课题“高中物理自制教具与实验教学研究”, 课题立项号:GS[2016]GHB0347。

(作者单位:甘肃省酒泉中学 735000)

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