逻辑思维拨云，科学实验见日

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）