邏輯思維撥云，科學(xué)實(shí)驗(yàn)見日

折戰(zhàn)偉

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1992-7711（2016）10-0095

一、教材分析

本節(jié)內(nèi)容為人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修1第二章第6節(jié)《伽利略對自由落體運(yùn)動的研究》。主要介紹伽利略研究自由落體運(yùn)動的科學(xué)方法和巧妙的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思。重在承上啟下和對學(xué)生進(jìn)行過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀教育。對學(xué)習(xí)者而言，像科學(xué)家那樣思考和探求，才能有所收獲。

二、學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)掌握了關(guān)于勻變速直線運(yùn)動的基本規(guī)律，但對自由落體運(yùn)動的理解容易受主觀經(jīng)驗(yàn)的影響，對規(guī)律的認(rèn)識不嚴(yán)謹(jǐn)，不了解前人是怎樣得到這些簡潔的規(guī)律的。

三、教學(xué)目標(biāo)

1. 知識與技能

（1）了解伽利略研究自由落體運(yùn)動的探究歷史。

（2）了解伽利略研究自由落體運(yùn)動的科學(xué)方法和巧妙的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思。

2. 過程與方法

通過伽利略對自由落體運(yùn)動的研究，體驗(yàn)科學(xué)研究的方法。

3. 情感態(tài)度與價(jià)值觀

通過學(xué)習(xí)伽利略對自由落體運(yùn)動的研究，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)，勇于探索，堅(jiān)持真理的高尚情操。

四、課時(shí)安排1課時(shí)

五、教學(xué)過程

引入：上一節(jié)課，我們研究了自由落體運(yùn)動，我們只用了一節(jié)課就把自由落體運(yùn)動解決了，但在歷史上，人們對自由落體運(yùn)動的研究經(jīng)歷了很長的時(shí)間，后來，伽利略對自由落體運(yùn)動的研究過程，開創(chuàng)了科學(xué)研究的新時(shí)代，自由落體實(shí)驗(yàn)被評為最美的十大物理實(shí)驗(yàn)之一，本節(jié)課，我們一起來追尋先哲的足跡，一起來感受一下，當(dāng)時(shí)伽利略是怎么來研究自由落體運(yùn)動的。

首先，要求學(xué)生用8分鐘時(shí)間閱讀課本內(nèi)容。

板書——《伽利略對自由落體運(yùn)動的研究》

1. 綿延兩千年的錯(cuò)誤

提出問題：錯(cuò)誤為何能綿延兩千年？伽利略如何推翻亞里士多德的論斷？

亞里士多德認(rèn)為物體下落的快慢是由它們的重量決定的。

2. 邏輯的力量

師：講述伽利略利用邏輯推理推翻亞里士多德論斷的過程，得出伽利略的論證方法——反證法。

師：既然不是“重物下落的快”，那我們看到“重物下落的快”的原因是什么？

生甲：（因?yàn)榭諝鈱Σ煌奈矬w的阻力不相同。生活中，我們無法忽略空氣阻力，所以我們看到“重物下落的快”。）

師：如果空氣阻力影響比較小的時(shí)候，應(yīng)該是？

生甲：（一樣快?。?/p>

教師展示比薩斜塔實(shí)驗(yàn)的圖片

現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)手段先進(jìn)了，我們還可以把空氣阻力進(jìn)一步忽略，教師讓學(xué)生觀察牛頓管中羽毛和鐵片的下落，比較有空氣和空氣抽得非常稀薄的兩個(gè)管中羽毛和鐵片運(yùn)動的區(qū)別。

學(xué)生觀察并得出結(jié)論：在阻力可忽略的情況下，重物與輕物應(yīng)該下落同樣快。

師：有沒有絕對真空的環(huán)境？我們想到了外太空，大家了不了解美國人登上月球以后做的自由落體的實(shí)驗(yàn)？

教師現(xiàn)場百度輸入“阿波羅自由落體”，并播放視頻“阿波羅15號——月球上的自由落體”。

師：這就是實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)一步先進(jìn)之后，我們現(xiàn)在看到的情況。伽利略抓住了物體下落的主要原因，忽略了影響物體下落的次要因素——空氣阻力，從而得出了正確的結(jié)論。如果說伽利略的研究僅僅停留在這一步的話，我們還沒法說他開創(chuàng)了科學(xué)研究的新時(shí)代，伽利略繼續(xù)推進(jìn)，既然物體下落是加速的，基于物體下落的規(guī)律應(yīng)該是簡潔的這一認(rèn)識，他提出：速度變化是均勻的。你怎么看待“速度變化是均勻的”？

生乙：（每秒鐘速度的變化是一樣的。）

師：那時(shí)候秒的概念都不清晰，只可能有大致的時(shí)間概念，這是一種說法，速度隨時(shí)間均勻變化，還有呢？

生丙：（速度隨距離均勻變化。）

師：是不是有種種說法？伽利略也想到了這些問題，經(jīng)過一系列的推理，他想到了速度隨距離均勻變化太復(fù)雜了，有可能是速度隨時(shí)間均勻變化。我們要追問，他當(dāng)時(shí)怎樣去驗(yàn)證這個(gè)東西？追問之前強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)，一是當(dāng)時(shí)沒有嚴(yán)格意義上的運(yùn)動學(xué)的概念，二是沒有光電門、秒表之類的儀器。那么，他是怎么驗(yàn)證的？

3. 假設(shè)猜想v∝t

師：伽利略設(shè)計(jì)了怎樣的實(shí)驗(yàn)？

生?。海榱搜娱L時(shí)間，伽利略做了斜面。）

師：這相當(dāng)于一個(gè)延緩了的自由落體運(yùn)動，那他怎樣驗(yàn)證v∝t？

學(xué)生思考后，難以回答。

師：故意難為你們的，伽利略很聰明，在沒有任何物理概念的情況下，他經(jīng)過數(shù)學(xué)推理得到，如果速度v和時(shí)間t成正比，那么，物體經(jīng)過的位移應(yīng)該正比于t的平方。這是一種轉(zhuǎn)化的思想。這樣轉(zhuǎn)化以后，我們再考慮，在實(shí)際操作中，我們必須要解決哪些問題？會存在什么困難？給同學(xué)們2分鐘的思考時(shí)間。

4. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

師：誰來說一說，要解決哪些困難？

生戊：（伽利略用斜面來延長物體運(yùn)動的時(shí)間。）

教師展示一個(gè)長約2米的斜面

師：時(shí)間延長以后，怎樣測量時(shí)間？那時(shí)候又沒有秒表。

生戊：（靠水滴，滴一滴水算一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。）

教師展示滴水裝置（輸液瓶，下端塑料管口用夾子夾?。缓髮⑿泵娣旁谧郎?，讓一小車沿斜面滑下，學(xué)生感知下滑時(shí)間很短，這段時(shí)間大概能滴兩三滴水。

師：如果時(shí)間剛好在第三滴與第四滴之間，那“半滴”的時(shí)間是要忽略掉嗎？然后再來一個(gè)平方，誤差大還是??？肯定比較大。剛有同學(xué)說了，可以調(diào)節(jié)斜面傾角，來延長時(shí)間。那還有沒有別的辦法，把時(shí)間延長？

生：（用較長的斜面）

師：對，告訴大家，伽利略做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，斜面長6米，問題解決了。還要解決哪些困難？告訴大家，你那樣滴水，算時(shí)間是不準(zhǔn)的，別看教材上真寫的滴水法。

生己：（每秒從管中流出水的質(zhì)量是一定的，我們可以測量物體沿斜面下滑過程中，從管中流出水的質(zhì)量。）（此處應(yīng)該有表揚(yáng)）

師：如果處理的好的話，水的流速是恒定的，那就是說：我們要用質(zhì)量來代替時(shí)間。能還是不能？

學(xué)生思考后覺得：能

師：我們得出，時(shí)間和水的質(zhì)量成正比。那我們還用“滴水”嗎？不用滴水，直接用流水。流出水的質(zhì)量和時(shí)間成正比，這就是伽利略提出的“水鐘”。6米長的斜面，用水鐘放水，然后用天平測水的質(zhì)量，當(dāng)然我們也可以測水的體積。

然后，教師找兩名同學(xué)上臺模擬操作伽利略的實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)伽利略的測量過程。學(xué)生測量后只得到很少量的水，教師提出了新的問題：怎樣減小測量水的質(zhì)量的誤差？

生：（用粗管）

師：粗管雖然流出的水多了，但是不好控制水流的速度，而且另外的影響因素也不好控制了。

學(xué)生思考后仍然得不到合理解決方案。

教師進(jìn)一步啟發(fā)，最后得到“累積法”。我們在一個(gè)位置釋放物體，測量十次物體下滑的時(shí)間，在另一個(gè)位置同樣測量十次，只要都是十次，可以用十次的總量來表示時(shí)間，再看x是否與t的平方成正比。這樣就減小了實(shí)驗(yàn)的誤差。這個(gè)實(shí)驗(yàn)伽利略做了幾百次。

教師追問：斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是什么？

學(xué)生答：1. 沿斜面滾下是做勻加速直線運(yùn)動；2. 不同質(zhì)量不同高度滾下，只要斜面的傾角一定，小球的加速度都是相同的；3. 增大傾角，加速度增加。

教師講，伽利略的實(shí)驗(yàn)在當(dāng)時(shí)引起了很大的轟動，因?yàn)榻o了他們?nèi)碌囊暯恰＝處熢侔l(fā)問：斜面實(shí)驗(yàn)結(jié)論怎樣到自由落體？

生庚：（不斷增大斜面傾角，最后達(dá)到90度，這時(shí)候小球做的就是自由落體運(yùn)動。）

教師接著講，他用到了極限的思想，推出了自由落體運(yùn)動。

為什么說伽利略在文藝復(fù)興基本完成之時(shí)，開啟了近代科學(xué)的序幕？為何有如此高的評價(jià)？你怎么想？

生辛：（伽利略提出了速度、加速度等物理學(xué)概念；嘗試了許多新的邏輯推理的方法；進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。）

教師總結(jié)：確立了許多描述運(yùn)動的基本概念；實(shí)驗(yàn)和邏輯推理（包括數(shù)學(xué)驗(yàn)算）和諧地結(jié)合，發(fā)展了人類的科學(xué)思維方式和研究方法；這就是我們?yōu)槭裁匆f他開啟了近代科學(xué)的序幕，也是我們?yōu)槭裁匆欢ㄒ獑为?dú)用一節(jié)課來研究?；仡欃だ缘目茖W(xué)研究方法：研究落體運(yùn)動→提出假設(shè)（v∝t）→邏輯（數(shù)學(xué)）得出推論（x∝t2）→對推論進(jìn)行檢查（小球在斜面上運(yùn)動實(shí)驗(yàn)）→對假說修正和推廣（外推至落體運(yùn)動）；另外，伽利略對天文領(lǐng)域突破性的理論摧毀了傳統(tǒng)“科學(xué)”框架的禁錮，打開了科學(xué)繁榮的大門……因此，愛因斯坦這樣評價(jià)他：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的方法，標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。”伽利略之前的科學(xué)躑躅于泥途荒灘，因而千年徘徊。從伽利略開始，人才輩出，經(jīng)典如云，近代科學(xué)的大門從此打開了。

六、教學(xué)設(shè)計(jì)思路分析

本節(jié)課，主要讓學(xué)生了解科學(xué)發(fā)展的艱苦、曲折。讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家研究問題的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)方法和科學(xué)精神。通過展現(xiàn)伽利略研究自由落體運(yùn)動的經(jīng)過，培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)定、求實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)、創(chuàng)新的學(xué)習(xí)精神。重在對學(xué)生進(jìn)行過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀教育！

注：本文系2016年度甘肅省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“高中物理自制教具與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究”， 課題立項(xiàng)號：GS[2016]GHB0347。

（作者單位：甘肅省酒泉中學(xué) 735000）