課堂上滲透物理學史
——以《自由落體運動》為例

云南省玉溪市峨山縣第一中學 陳 明

科學的本質(zhì)在于探索，科學的生命在于創(chuàng)新。物理學史在培養(yǎng)學生的創(chuàng)造素質(zhì)方面具有獨特的功能。物理學史上幾乎每個重大的發(fā)現(xiàn)表明，創(chuàng)造性思維活動起始于對困難或問題的認識，而善于提出問題，總是對事物、現(xiàn)象或已有的理論的懷疑開始。為了培養(yǎng)學生提出科學問題的能力，在物理教學中，完全有必要用物理學史上的精彩事例，培養(yǎng)學生獨立思考的能力，提高善于提出科學問題的能力。具體教學實施方案如下。

一、教學目標

知識與技能∶了解伽利略對自由落體運動的研究思路和方法;學習伽利略的思想和精神，培養(yǎng)敢于堅持真理、勇于創(chuàng)新和實事求是的科學態(tài)度和科學精神。提高學習興趣，培養(yǎng)合作精神。

過程與方法∶經(jīng)歷伽利略對自由落體運動的研究方法，感悟科學探究的方法；親身經(jīng)歷探究的過程，嘗試探究的方法，提高實驗的技能，培養(yǎng)主動參與、勤于動手的學習習慣。

情感態(tài)度與價值觀∶激發(fā)了學生學習伽利略敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，善于觀察思考，知難而進的優(yōu)秀品質(zhì);培養(yǎng)學生耐心細致的意志品質(zhì)，創(chuàng)新思想和互相協(xié)作的精神。

二、教學重點

了解探索過程，明確探索的步驟，同時了解實驗及科學的思維方法在探究中的重要作用，從中提煉自己的學習方法。

三、教學難點

觀察－思考－推理－猜想－驗證” 是本節(jié)的重點思路，也是培養(yǎng)良好思維習慣的重要參考

四、教學過程

師：上節(jié)課我們學習了一種理想的運動模型：自由落體運動。大家都知道，落體運動是非常常見的，但就這樣一個常見的運動，人類對它的認識經(jīng)歷了差不多兩千年的時間才變得清晰起來。這究竟是怎么回事呢？在人類歷史上，最早研究運動問題的要算古希臘學者亞里士多德了。亞里士多德通過觀察推斷：物體下落快慢由它們的質(zhì)量決定。他的這一推斷符合人們的常識，以至于其后兩千年里，大家都奉為經(jīng)典。但到了16世紀末，意大利比薩大學的青年學者伽利略對亞里士多德的論斷產(chǎn)生了懷疑，用自己方法證明了亞里士多德觀點的錯誤并且得出了落體運動的規(guī)律。下面我們就隨著伽利略的思想一起體驗他的探究過程。

（1）伽利略的思考

師：伽利略通過自己的觀察對亞里士多德的觀點產(chǎn)生了懷疑，并通過邏輯推理讓亞里士多德的觀點自相矛盾。你能做到用亞里士多德的觀點證明亞里士多德觀點的錯誤嗎？

伽利略發(fā)現(xiàn)亞里士多德的觀點有自相矛盾的地方。根據(jù)亞里士多德的理論，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭下落速度大。假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，當我們把這兩塊石頭拴在一起時，下落快的會被下落慢的拖著而減慢，下落慢的會被下落快的拖著而加快，結(jié)果，整個系統(tǒng)的下落速度應該介于8和4之間。但從另一個角度講，兩塊石頭拴在一起，加起來比大石頭還要重，因此整個系統(tǒng)的速度應該大于8，由同一理論得到的結(jié)論相互矛盾， 從而使亞里士多德的理論陷入困境。

補充：“兩種新科學的對話”一書中寫道：

薩爾維阿諦（伽氏）：如果把兩個自然速率不同的物體綁在一起，那么落得快的物體會被落得慢的物體拖著而減速，落得慢的物體會被落得快的物體拖著而加速，你同意嗎？

辛普利丘（亞氏）：沒有疑問，你說得對。

伽氏：但是，如果這是對的，那么我們?nèi)∫粔K大石頭，例如它的下落速率為八，再取一塊小石頭，下落速率為四，將它們栓在一起，整個系統(tǒng)的下落速率應該小于八；但是，兩塊石頭栓在一起，要比速率為八的石頭重。因此可以得出，重物體比輕物體的運動速率要小的結(jié)論，這個結(jié)論剛好和你的推測相反。

亞氏：我完全被搞糊涂了，……說實在的，這完全超出了我的理解力……。

（2）伽利略的猜想

先問問學生會作怎樣的猜想。

伽利略認為，重物與輕物應該下落得同樣快。他猜想落體運動應該是一種最簡單的變速運動，物體的速度應該是均勻變化的。但是，速度的變化怎樣才算是均勻的呢？他考慮了兩種可能：一種是速度的變化對時間來說是均勻的，即v與t成正比；另一種是速度的變化對位移來說是均勻的，即v與x成正比。

數(shù)學推理 伽利略通過數(shù)學運算得出：如果v與x成正比，將會得到十分復雜的結(jié)論；如果v與t成正比，它通過的位移x就與t2成正比。

要點注意：伽利略是先猜想速度與時間成正比，然后數(shù)學推導出位移與時間的平方成正比的，然后通過難數(shù)學推導的結(jié)論證明速度與時間成正比的?！百だ酝ㄟ^實驗得到位移與時間的平方成正比的結(jié)論”是錯誤的。

（3）實驗驗證

為了便于測量時間，伽利略設(shè)法用斜面做實驗。他在木制斜槽上蒙上羊皮紙，讓銅球從光滑的羊皮斜槽上滾下，通過上百次對不同質(zhì)量的小球沿不同傾角的光滑斜面越大的定量研究，發(fā)現(xiàn)小球沿光滑斜面運動時通過的位移x確實與t2成正比，小球的運動是勻變速直線運動，且傾角一定不同小球的加速度一定，傾角越大加速度越大。

（4）合理外推

伽利略將他在斜面實驗中得出的結(jié)論做了合理的外推：設(shè)想斜面的傾角越接近900，小球沿斜面滾下的運動就越接近于自由落體運動；當斜面的傾角達到900時，小球就做自由落體運動。從而，自由落體運動是初速度為0的勻加速直線運動，且所有物體自由下落時的加速度都相同。

然后是伽利略的科學方法

伽利略對運動的研究，不僅確立了許多用于描述運動的基本概念，而且創(chuàng)造了一套對近代科學的發(fā)展極為有益的科學方法，或者說給出了科學研究過程的基本要素。

伽利略科學方法的核心是把和邏輯推理（包括數(shù)學推演）和諧地結(jié)合起來，從而有力地推進了人類科學認識的發(fā)展。

五、總結(jié)

物理學史在教學中滲透具有重大的意義，但同時也存在一些問題。首先物理學史是一門獨立的學科，有其自身的研究方法和結(jié)構(gòu)體系。若要將科學史與科學教學有機結(jié)合起來，首先要求我們樹立正確的科學觀。不僅要重視“個人的科學”“公開的科學”“技術(shù)的科學”更要重視“歷史的科學”。同時，在教學中滲透物理學史我們要注意適當性。在教學設(shè)計的時候要把握好度，不能因為引入物理學史而沖淡教學的重要的內(nèi)容。