尊重物理学史 感悟逻辑力量——以“自由落体运动”教学为例

李康康

(安徽省宿城第一中学，安徽 宿州 234000)

物理学史不仅描述了物理学中的概念、规律和科学研究方法发展的脉络，更加揭示了物理学观念、方法发生与发展的内在原因和规律，是一部研究人类对自然界中各种物理现象的认识史。[1-2]翻开物理学的发展史，可以发现这不仅是人类不断思考、研究方法不断进步、规律不断完善的历史，更展现了无数科学家探索自然、获得真知的过程。

《普通高中物理课程标准(2017年版)》明确了“自由落体运动”的内容要求：“通过实验，认识自由落体运动规律。结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。”由此可知，自由落体运动规律的习得离不开对物理学史的研究，这就要求教师在教学过程中不仅要关心知识的“去脉”，更要关心知识的“来龙”，不仅要把精力放在知识的应用上，更要注重知识的构建过程，使得概念的建构与规律的探寻更加符合学生的认知，更加符合物理的学科逻辑。

笔者在教学中贯彻科学史、哲学和社会学(HPS)教育理念，引领学生一起沿着科学家的探索足迹还原历史过程，创设情境，再现自由落体运动规律的发现过程，实现进阶学习，感受科学家严谨的科学态度，逐步树立科学的世界观，提升学生的物理学科核心素养。

1 感受自然之美，明了亚里士多德错在哪里

“一叶落知天下秋”，通过播放树叶、雨滴的下落视频，让学生感受自然界中物体下落的美景，引导学生去探究生活中物体的下落运动，从而让学生形成一种共鸣：人类就是通过对自然现象的研究，实现了科学的不断进步。

最早研究落体运动的是亚里士多德，亚里士多德是古希腊哲学家、科学家。他通过对落体运动的大量观察，归纳得出人们熟知的落体理论：重的物体下落快，轻的物体下落慢。教材中在引入本节内容时通过纸片揉成纸团的对比实验，引起学生对此理论的质疑。学生由于对亚里士多德的研究背景不甚明了，容易对亚里士多德产生误解。而事实上亚里士多德在《物理学》第4卷第8章中写道：“我们看见一个已知重物或物体比另一个快有两个原因：或者由于穿过的介质不同(如在水中、土中或空气中)，或者其他情况相同，只是由于各种运动物体的重量或轻重不同。”在同一章中，他说明“其他情况相同”是指“形状相同”即“分开介质的因素相同”。可见亚里士多德关于落体的说法是以“物体形状相同和介质相同”为前提条件的。[3]本节课基于尊重物理学史的原则，在质疑亚里士多德理论正确性的时候采用了新的实验。与此同时，让同学们准备一张纸片和同样大小的一本书，将纸片和书举到同一高度同时静止释放，观察到符合亚里士多德落体理论的现象：书下落得快，纸片下落得慢。再让同学们把纸片叠放在书的上面，第二次进行实验，可以观察到以下现象：居然是书和纸片下落一样快，这样一个结果和很多同学的猜想是不一样的，形成了一个出乎意料的矛盾点，激发了学生的认知冲突。此时，教师进一步点明矛盾：把纸片放在书的上面，纸片下落变得和书一样快，难道说纸片变重了吗？学生思考片刻：没有！由此，我们在“物体形状相同和介质相同”的前提条件下，反驳了亚里士多德落体理论。

2 减小阻力，逻辑推理的力量

历史上，最早对亚里士多德落体理论提出质疑的是伽利略。伽利略利用被称为“归谬法”的逻辑推理方法，揭示了亚里士多德落体理论的自相矛盾，从而证明这个理论是错误的。伽利略经过仔细分析后认为，物体下落只能有一种可能性：重的物体与轻的物体下落得同样快。

当时伽利略已经意识到生活中重物和轻物下落快慢不一样是由于阻力的影响，他需要论证在没有阻力的情况下，重的物体和轻的物体下落一样快。受到当时科学水平和仪器设备的限制，伽利略没有办法用实验手段得到在无阻力情况下的落体运动，于是伽利略采用了一种很巧妙的方法，借助逻辑推理的力量减小阻力，设想无阻力的情景，图1为伽利略1638年出版的著作《关于两门新科学的对话》中的叙述。

图1

为了让学生真切地感受伽利略逻辑思维的力量，在课堂上可以用实验再现他的思路。取体积相同的玻璃球和钢球，分别在洗衣液、水、空气三种介质中同时由静止释放(图2)，对比观察，讨论得出结论:在三次实验中，使用三种介质，阻力依次减小，物体的下落依次变快，两物体下落的差距依次减小，进而引导学生合理外推到没有空气阻力时的情况。此时学生自然而然地得出结论：物体将下落得一样快。那么，结论是否正确呢？

图2

教师拿出牛顿管，将管内抽成真空，铜片和羽毛的下落一样快！经过这一教学环节，学生由衷地对伽利略感到敬佩，在技术条件不允许的情况下，伽利略采用了实验加逻辑外推的方法得出正确结论，让学生感受到逻辑推理的力量。

3 “冲淡”重力，世界十大最美物理实验

科学探索从来都不是一帆风顺的，在研究落体运动的过程中伽利略遇到了很多困难，他迎难而上，运用巧妙的方法一一解决。伽利略针对自由落体运动,基于“自然界是简洁、和谐”的信念，大胆提出猜想：速度v与时间t成正比。受到当时技术的限制，无法直接测定瞬时速度，所以也就无法直接得到速度的变化规律，但是伽利略通过数学运算推出结论：如果物体的速度v与时间t成正比，那么落体发生的位移x就与t2成正比。

当时伽利略采用的计时工具是水钟，这样的计时工具无法准确测量自由落体运动所用的短暂时间。在这种背景下，伽利略想到用“冲淡重力”的方法延长运动时间，制作了一个长斜面，让铜球沿着斜面滚下，就可以延长铜球运动的时间。

课堂教学中，笔者利用一段贴合度很高的视频还原了伽利略所做的实验(图3)，在播放视频之后，引导学生参与活动，根据节拍器去记录相等的时间间隔内小球发生的位移，一起去处理数据，探究位移与时间的关系，记录数据如表1所示。根据数据学生发现：位移x与t2成正比。

图3

表1

伽利略做了上百次的实验，证实小球沿斜面滚下的运动确实是匀加速直线运动，在当时的条件下，在实验的方案设计方面作了很多创新，这个实验被誉为“世界十大最美物理实验”之一。

4 合理外推，发现自由落体运动规律

斜面实验取得了成功，但如何由斜面实验的结论推理得出落体运动的规律呢？伽利略又勇敢地向前走了一步，在斜面实验的基础上进行合理的外推(图4)：斜面倾角逐渐增大，小球仍然做匀加速直线运动，当斜面的倾角增大到90°，这时小球的运动就是自由落体运动了。伽利略认为这时小球也会做匀加速直线运动，且所有物体下落时的加速度都是一样的。伽利略基于斜面实验的结论进行外推，总结出了自由落体运动规律。

图4

5 运用现代科学手段进行验证，感受时代的进步

随着科技的发展，人们可以利用先进的现代设备去验证自由落体运动规律。笔者在课堂上用手机拍摄一段物体下落的视频，借助Tracker软件分析处理数据(图5)，通过拟合实验数据得出结论(图6)，验证了伽利略的研究结论：落体运动的位移与下落时间的平方成正比。

图5

图6

5 结语

伽利略是一位伟大的科学家，被后人称为“现代科学之父”。伽利略的成功之处，不仅在于找到了正确的落体运动规律，更重要的在于创立了把科学受控实验与数学、逻辑推理结合起来的科学研究方法，爱因斯坦对此进行了高度的评价：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”

笔者与学生一起重走科学家探究自由落体运动规律的道路，在探究中提高科学思维和科学探究能力，落实物理学科核心素养的培养目标。