基于“沖淡”重力斜面實(shí)驗(yàn)的“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

陳曉媚 王笑君

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

人民教育出版社普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·必修1》[1]第二章第5節(jié)為“自由落體運(yùn)動(dòng)”，教學(xué)內(nèi)容如圖1所示.

圖1 “自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)內(nèi)容

第6節(jié)為“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”，教學(xué)內(nèi)容如圖2所示.

圖2 “伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)教學(xué)通常是按照教材的編排，將自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律探究與物理學(xué)史分開來講.在學(xué)完自由落體運(yùn)動(dòng)一節(jié)后，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，許多教師沒有將下一節(jié)中教材中提到的“沖淡重力”斜面實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)出來，實(shí)際教學(xué)缺乏真實(shí)情境，造成學(xué)生對(duì)伽利略的科學(xué)思想方法只處于淺層的認(rèn)識(shí)和了解，不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》[2]中要求：通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律；結(jié)合物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容，認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)研究中的作用.斜面實(shí)驗(yàn)是伽利略研究落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵，因此本教學(xué)設(shè)計(jì)將第6節(jié)中伽利略的“沖淡”重力斜面實(shí)驗(yàn)引入第5節(jié)自由落體運(yùn)動(dòng)的新課教學(xué)，重新設(shè)計(jì)了斜面實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)伽利略斜面實(shí)驗(yàn)研究，探究自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì).對(duì)教材這兩節(jié)內(nèi)容的重新整合如圖3所示，本文對(duì)整合后的“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)內(nèi)容制定了教學(xué)設(shè)計(jì).

圖3 教學(xué)內(nèi)容重新整合

1 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

(1)認(rèn)識(shí)自由落體運(yùn)動(dòng)并知道其定義；

(2)重現(xiàn)伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的過程，通過邏輯推理和實(shí)驗(yàn)理解自由落體運(yùn)動(dòng)是一種勻加速直線運(yùn)動(dòng)；

(3)體會(huì)實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用和科技進(jìn)步帶來的便利.

2 學(xué)生情況分析

筆者實(shí)施本教學(xué)設(shè)計(jì)的對(duì)象是高一學(xué)生，在此前他們剛剛結(jié)束對(duì)勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)習(xí)，具備描述運(yùn)動(dòng)基本概念的基礎(chǔ)知識(shí).但是，伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過程邏輯性強(qiáng)，斜面實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作都是教學(xué)的難點(diǎn).

3 教材實(shí)際處理

(1)第5節(jié).引進(jìn)伽利略“沖淡”重力的斜面實(shí)驗(yàn)，將亞里士多德對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述、伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究整合到自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律探究的教學(xué)過程中，并在實(shí)驗(yàn)前說明伽利略開展自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的前提是忽略空氣阻力.

(2)第6節(jié).增加驗(yàn)證自由落體規(guī)律和測(cè)量自由落體加速度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；歸納自由落體運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間公式、位移-時(shí)間公式和速度-位移公式；補(bǔ)充史料如伽利略的數(shù)據(jù)手稿、比薩斜塔落體實(shí)驗(yàn)[3，4]等.

4 “沖淡”重力斜面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

伽利略當(dāng)時(shí)計(jì)時(shí)工具不夠精確，于是用小球沿平滑斜面滾下過程代替豎直下落過程，即“沖淡”重力，使得小球緩慢運(yùn)動(dòng).為了更加接近歷史事實(shí)，體驗(yàn)邏輯推理在研究物理問題中的重要性，筆者重新設(shè)計(jì)了斜面實(shí)驗(yàn)，呈現(xiàn)物理學(xué)家伽利略精妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和技巧，使學(xué)生學(xué)習(xí)自由落體運(yùn)動(dòng)的同時(shí),經(jīng)歷與前人相似的探究過程.

實(shí)驗(yàn)說明：采用小角度的斜面，當(dāng)滑塊速度較小時(shí)，氣墊導(dǎo)軌的空氣粘滯阻力可以近似看成恒力，因此不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

實(shí)驗(yàn)器材：氣墊導(dǎo)軌、滑塊、光電門和數(shù)字計(jì)時(shí)器，如圖4所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)過程：

(1)調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌一端高度使其形成傾斜斜面，打開開關(guān)，將滑塊放上氣墊導(dǎo)軌并無初速釋放.

(2)將3個(gè)光電門分別放置在實(shí)驗(yàn)前設(shè)定好的位置.接通數(shù)字計(jì)時(shí)器的電源后打開開關(guān)，再次釋放滑塊，調(diào)試確認(rèn)儀器完好后將計(jì)時(shí)器調(diào)零.

(3)預(yù)先在Excel軟件中設(shè)計(jì)好表格，交代學(xué)生的任務(wù)是讀數(shù)和記錄滑塊經(jīng)過每個(gè)光電門時(shí)的時(shí)間(表1)，測(cè)量擋光片的寬度，計(jì)算滑塊的瞬時(shí)速度.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(4)開始實(shí)驗(yàn)，在某一高度處無初速釋放滑塊，記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格中畫圖.同一高度重復(fù)實(shí)驗(yàn)，作v2-x圖.

(5)改變實(shí)驗(yàn)條件，分別用不同質(zhì)量的滑塊、在不同高度處?kù)o止釋放，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證速度與時(shí)間成正比的猜想.

實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)：教材中伽利略用“沖淡”重力斜面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證x∝t2.筆者用光電門和數(shù)字計(jì)時(shí)器解決了瞬時(shí)速度難以測(cè)量的困難，驗(yàn)證滑塊速度的二次方與通過的位移成正比(v2∝x).并用Excel軟件繪圖，大大提高了實(shí)驗(yàn)精度并節(jié)省了課堂時(shí)間.還可以直接改變斜面傾角，更好地體會(huì)“實(shí)驗(yàn)+合理外推”的科學(xué)方法.

5 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

5.1 刻度尺游戲?qū)胄抡n

問題1：反應(yīng)時(shí)間是怎么計(jì)算出來的？

設(shè)計(jì)說明：學(xué)生將注意力轉(zhuǎn)移到物體下落這種運(yùn)動(dòng)形式，產(chǎn)生探究其規(guī)律的欲望.

圖5 刻度尺游標(biāo)

5.2 通過亞里士多德的觀點(diǎn)回顧歷史

問題2：重的物體下落得更快嗎？決定物體下落快慢的因素是什么?

設(shè)計(jì)說明：引出亞里士多德和伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究，學(xué)生可以體會(huì)邏輯推理的力量.

5.3 相同質(zhì)量的紙張和紙團(tuán)下落快慢不同形成思維沖突

問題3：為什么日常生活中常見到較重的物體下落得比較快呢？

設(shè)計(jì)說明：讓學(xué)生經(jīng)歷與伽利略相同的思考，體驗(yàn)物理學(xué)家研究問題的過程.

圖6 相同質(zhì)量紙張和紙團(tuán)同時(shí)下落

5.4 演示牛頓管實(shí)驗(yàn)定義自由落體運(yùn)動(dòng)

伽利略大膽地確立了新觀點(diǎn)：如果排除空氣的阻力，所有物體將下落得一樣快.

設(shè)計(jì)說明：讓學(xué)生經(jīng)歷與伽利略相同的思考，體驗(yàn)物理學(xué)家研究問題的過程，如圖7所示.

圖7 自由落體實(shí)驗(yàn)

5.5 參照伽利略的研究思想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

問題4：自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是什么？

介紹伽利略的猜想：速度應(yīng)該是均勻變化的.確定用“沖淡”重力斜面實(shí)驗(yàn)方法來檢驗(yàn)猜想.

問題5：收集數(shù)據(jù)后可以通過什么數(shù)學(xué)手段驗(yàn)證v2∝x？

設(shè)計(jì)說明：突出“猜想與假設(shè)”和制定實(shí)驗(yàn)方案的過程，學(xué)生認(rèn)識(shí)到猜想與假設(shè)必須有事實(shí)依據(jù)，體會(huì)科學(xué)信念和直覺思維在猜想假設(shè)中的指導(dǎo)作用和變量轉(zhuǎn)換法以及數(shù)形結(jié)合在科學(xué)研究中的應(yīng)用.

5.6 斜面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想得出v2∝x

根據(jù)重新設(shè)計(jì)的“沖淡”重力斜面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，得出 “只要傾角一定，不同質(zhì)量的滑塊沿斜面下落的加速度都相同”的結(jié)論.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，v2-x關(guān)系曲線如圖8所示.

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 v2-x關(guān)系曲線

5.8 分組實(shí)驗(yàn)外推到所有物體自由下落時(shí)加速度都相同的結(jié)論

問題7：怎樣利用小球在斜面上向下的運(yùn)動(dòng)結(jié)論得到自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)？

設(shè)計(jì)說明：突破難點(diǎn)，將伽利略完整的推理和實(shí)驗(yàn)過程融入到自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究中，增加大角度的斜面實(shí)驗(yàn)，使得外推結(jié)論合理易接受，進(jìn)而得出自由落體運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)論(圖9).

圖9 伽利略外推自由落體運(yùn)動(dòng)

6 教學(xué)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

(1)調(diào)整了教材內(nèi)容，遵循物理學(xué)史的發(fā)展進(jìn)程，將歷史上物理學(xué)家們對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過程滲透在“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)的新課教學(xué)中.

(2)仿照伽利略的“沖淡”重力斜面實(shí)驗(yàn)，更加貼近物理學(xué)史的事實(shí)，讓學(xué)生在親身經(jīng)歷前人的探究過程學(xué)習(xí)自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì).

(3)氣墊導(dǎo)軌的空氣粘滯阻力可被近似看成恒力，在最大程度地還原原始實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提高實(shí)驗(yàn)精度.學(xué)生還可以自由設(shè)置大角度進(jìn)行驗(yàn)證，使得伽利略設(shè)想斜面角度增大至90°的“合理外推”更有說服力.