溯源真實(shí)物理情境 體驗(yàn)科學(xué)探究之美
——以伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究為例

潘 正

(蘇州市東山中學(xué) 江蘇 蘇州 215107)

楊振寧在上海接受記者采訪時(shí)，曾將他取得成功的奧秘歸結(jié)為這樣一句話：“要站在問題開始的地方，要面對(duì)原始的問題，而不要淹沒在文獻(xiàn)的海洋里(課程·教材·教法 -《對(duì)物理教學(xué)的哲學(xué)思考》- 2005)”.

愛因斯坦說過：“科學(xué)結(jié)論幾乎是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前,讀者體會(huì)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅,感覺不到思想形成的生動(dòng)過程,也很難達(dá)到清楚地解釋全部情況(華東師范大學(xué)博士論文 -《化學(xué)課程中的科學(xué)過程技能研究》- 2007)”.

楊振寧和愛因斯坦表達(dá)了同一個(gè)思想：科學(xué)探究需要溯源.

溯源，即追溯事件產(chǎn)生和發(fā)展的根源.物理規(guī)律的建立，依托物理學(xué)史實(shí)，以一些著名的物理定律、物理的重大發(fā)現(xiàn)、重要的物理實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，探究物理學(xué)重要成果的形成過程，體驗(yàn)科學(xué)家的工作歷程，體會(huì)科學(xué)家的科學(xué)精神.溯源事件的產(chǎn)生和發(fā)展過程，能夠加深對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)，準(zhǔn)確把握物理規(guī)律.

1 科學(xué)探究需要進(jìn)行溯源

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，問題的提出是科學(xué)探究的起點(diǎn)和基本特征，問題的提出離不開真實(shí)的物理情境.

情境認(rèn)知理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)的終極目標(biāo)是要將自己置于知識(shí)產(chǎn)生的特定的情境中，通過積極參與具體情境中的社會(huì)實(shí)踐來獲取知識(shí)、建構(gòu)意義并解決問題(教育發(fā)展研究 -《深度學(xué)習(xí)視野下的課堂情境》- 2013).學(xué)生能力的發(fā)展是一個(gè)漸進(jìn)的過程，是一種潛移默化影響的結(jié)果，它是一種隱形特征，因而學(xué)生能力的培養(yǎng)和發(fā)展必須建立在一定的情境之中，這樣利于打開學(xué)生的思路，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)、遷移應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力.科學(xué)探究需要?jiǎng)?chuàng)立真實(shí)的物理情境.

對(duì)著名歷史事件進(jìn)行溯源，是真實(shí)物理情境創(chuàng)立的一個(gè)重要途徑.在真實(shí)的物理情境下進(jìn)行科學(xué)探究，是學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的一種途徑和方法，是核心素養(yǎng)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也是學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的一個(gè)重要策略.

2 伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究

人教版教材必修一第二章第6節(jié)“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”，不是一節(jié)知識(shí)傳授課，其實(shí)質(zhì)上是一節(jié)物理學(xué)史溯源課.

伽利略的研究方法可以歸納為圖1所示的框圖.

圖1 伽利略的研究方法

伽利略整個(gè)探究過程環(huán)節(jié)齊全、思路清晰，是科學(xué)實(shí)驗(yàn)和邏輯推理的完美結(jié)合.

3 溯源真實(shí)物理情境 體驗(yàn)科學(xué)探究之美

3.1 猜想假設(shè) 體驗(yàn)科學(xué)家智慧之美

關(guān)于“落體運(yùn)動(dòng)是一種怎樣的運(yùn)動(dòng)?”，伽利略通過對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的觀察，大膽地猜想：“物體下落速度是均勻變化的”.

這種猜想基于怎樣的思考?

伽利略認(rèn)為：“自然界是簡(jiǎn)單的，一切運(yùn)動(dòng)都是以最簡(jiǎn)單的秩序進(jìn)行的.”基于這樣的思想，對(duì)于自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，他作出兩種猜想：

猜想1：速度與位移成正比v∝x.

猜想2：速度與時(shí)間成正比v∝t.

【后記】愛因斯坦有一句很著名的話：“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要”.提出問題的過程是對(duì)舊問題換個(gè)角度認(rèn)識(shí)的過程，科學(xué)家需要一定的想象力，更需要一定的勇氣，從中體驗(yàn)科學(xué)家智慧之美.

3.2 理論推理 體驗(yàn)邏輯之美

猜想1：速度與位移成正比，即v∝x.

如果v∝x，即

v=kx

(1)

微元法求瞬時(shí)速度

(2)

由式(1)、(2)得到

兩邊積分得到

lnx=kt

最終表達(dá)式

x=ekt

作x-t圖像如圖2所示.

圖2 x-t圖像

當(dāng)t=0時(shí)，x=1，與實(shí)際情況不符.

結(jié)論：速度與位移成正比明顯不成立，放棄對(duì)該方案的實(shí)驗(yàn)探究.

猜想2：速度與時(shí)間成正比，即v∝t.

如果v∝t，即

v=kt

(3)

微元法求瞬時(shí)速度

(4)

由式(3)、(4)得到

Δx=ktΔt

兩邊積分得到

最終表達(dá)式

x=k′t2

【后記】“理論探究”作為科學(xué)探究的一個(gè)重要途徑在這里發(fā)揮的淋漓盡致，讓我們不僅驚嘆，伽利略竟然否定了“速度與位移成正比”這一猜想，這就是邏輯推理之美.

3.3 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 體驗(yàn)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之美

3.3.1 面臨困難

(1)瞬時(shí)速度無法測(cè)量.

(2)時(shí)間無法精確測(cè)量.

3.3.2 解決方案

(2)時(shí)間無法精確測(cè)量的解決方案：①利用斜面“沖淡重力”，延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，減少偶然誤差;②還原滴水計(jì)時(shí)(水鐘).

3.3.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：還原滴水計(jì)時(shí)(水鐘)

(1)溯源

水鐘在中國(guó)又叫做“刻漏”“漏壺”.根據(jù)等時(shí)性原理滴水記時(shí)有兩種方法，一種是利用特殊容器記錄把水漏完的時(shí)間(泄水型)，另一種是底部不開口的容器，記錄它用多少時(shí)間把水裝滿(受水型).中國(guó)的水鐘，最先是泄水型，后來泄水型與受水型同時(shí)并用或兩者合一.自公元85年左右，浮子上裝有漏箭的受水型漏壺逐漸流行，甚至到處使用(網(wǎng)頁 -《水鐘_百度百科》).

(2)還原水鐘

1)原理：在一定的裝置里，水能保持以相對(duì)穩(wěn)定的速度往下流，容器內(nèi)的水面隨水的流出而下降，根據(jù)液面下降的高度就可以測(cè)量出時(shí)間.

2)器材：帶刻度的細(xì)長(zhǎng)玻璃管、鐵架臺(tái)、試管夾、橡膠軟管、止水夾、玻璃管末端的調(diào)節(jié)閥、燒杯兩個(gè)、盛水器皿、紅墨水.

3)實(shí)物圖：如圖3所示.

圖3 還原水鐘實(shí)物圖

4)測(cè)定：利用秒表持續(xù)測(cè)定長(zhǎng)玻璃管中流失水的體積與所用時(shí)間的關(guān)系，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，作流失水體積與所用時(shí)間的關(guān)系圖像，如圖4所示.

表1 流失水的體積與所用時(shí)間的關(guān)系

圖4 流失水的體積與所用時(shí)間的關(guān)系

由表1和圖4可以看出，長(zhǎng)直玻璃管流水速度并不是呈線性關(guān)系，隨著液面下降，壓力降低，水流速度變慢，流速與線性關(guān)系偏差較大，進(jìn)行滴水計(jì)時(shí)誤差較大，所以必須進(jìn)行糾偏.

5)糾偏：每次測(cè)量時(shí)保持起始液面相同，即每測(cè)量一次需要加注水至起始液面.

糾偏后實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5表明，若每次測(cè)量時(shí)都使初始液面保持相同，每次流失水的體積相差不是太懸殊時(shí)，流失水的體積與所用時(shí)間的關(guān)系可以近似看成線性關(guān)系，這樣就可以用流失水的體積來表示時(shí)間.

表2 糾偏后流失水的體積與所用時(shí)間的關(guān)系

圖5 糾編后流失水的體積與所用時(shí)間的關(guān)系

3.3.4 還原“沖淡重力”實(shí)驗(yàn)

(1)溯源

伽利略在《關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明》中介紹了斜面裝置：“拿一塊12肘長(zhǎng)、半肘寬、3 指厚的木板.靠它的邊緣刻一道約略大于一指寬的小槽，把這個(gè)槽做到盡可能的直和光滑，里面墊上盡可能光滑的羊皮紙.然后拿一個(gè)硬的、光滑的、極圓的銅球，放在槽內(nèi)去滾.將這塊木板放在傾斜位置，使一端比另一端高一肘或二肘，再將銅球沿槽去滾……”.(南京師范大學(xué)博士論文 -《高中物理教材設(shè)計(jì)論》- 2004)

(2)還原實(shí)驗(yàn)

利用3m長(zhǎng)鋁合金導(dǎo)軌進(jìn)行“沖淡重力”實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，邀請(qǐng)3位學(xué)生協(xié)同完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生甲負(fù)責(zé)操作水鐘計(jì)時(shí)，學(xué)生乙負(fù)責(zé)釋放小球，學(xué)生丙負(fù)責(zé)發(fā)布起止口令，教師負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù).

圖6 “沖淡重力”實(shí)驗(yàn)

(3)實(shí)驗(yàn)過程

1)將導(dǎo)軌平放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，一端墊高，形成一個(gè)較小傾角的斜面，學(xué)生丙位于2.5m位置處，發(fā)出“開始”指令，同時(shí)學(xué)生乙將鋼質(zhì)小球從0刻度線處由靜止開始釋放，學(xué)生甲開始水鐘計(jì)時(shí).當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)到2.5m刻度線稍前位置處時(shí)，學(xué)生丙發(fā)出“停止”口令，同時(shí)學(xué)生甲停止水鐘計(jì)時(shí)，讀出流失水的體積(時(shí)間)，教師記錄在表3，上述操作重復(fù)測(cè)量一次，取平均值并進(jìn)行記錄.改變測(cè)量長(zhǎng)度，分別測(cè)量出小球經(jīng)過2.5m,2m，1.5m時(shí)流失水的體積(時(shí)間)，記錄在表3.

表3 小球在較小傾角下位移與時(shí)間關(guān)系

2)參照上述1)操作過程，不改變斜面傾角，換一個(gè)較大小球，分別測(cè)量出小球經(jīng)過2.5m，2m，1.5m時(shí)流失水的體積(時(shí)間)，記錄在表4.

表4 大球在較小傾角下位移與時(shí)間關(guān)系

3)參照上述1)操作過程，增加斜面傾角，取較小小球重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，記錄在表5.

表5 小球在稍大傾角下位移與時(shí)間關(guān)系

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

【后記】該實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)十大最美實(shí)驗(yàn)之一，利用最簡(jiǎn)單的儀器，發(fā)現(xiàn)最根本的科學(xué)道理，建立最根本的科學(xué)概念，回歸實(shí)驗(yàn)探究的本源.同時(shí)伽利略率先采用“用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)猜想”的科學(xué)方法，也是經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之美的體現(xiàn).

3.4 合理外推 體驗(yàn)科學(xué)家勇氣之美

當(dāng)導(dǎo)軌與地面垂直時(shí)，即傾角增大到90°時(shí)，小球的運(yùn)動(dòng)就是自由落體運(yùn)動(dòng)，小球仍然保持勻加速直線運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，所有物體下落時(shí)的加速度都是一樣的.至此，伽利略就完成了對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究.

【后記】合理外推，對(duì)假設(shè)進(jìn)行修正和推廣，伽利略利用這一步操作完美地對(duì)科學(xué)研究過程進(jìn)行收尾，在體現(xiàn)他的智慧之余，更展現(xiàn)出了他極大的勇氣.

4 結(jié)束語

溯源真實(shí)的物理情境，讓學(xué)生親身經(jīng)歷一個(gè)經(jīng)典的、環(huán)節(jié)完備的、完整的科學(xué)探究過程，從而讓學(xué)生切切實(shí)實(shí)感受到伽利略在科學(xué)研究時(shí)不怕困難、鍥而不舍、執(zhí)著勇敢的偉大精神，同時(shí)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作過程中也體驗(yàn)到了成功的喜悅，讓學(xué)生真正體驗(yàn)到科學(xué)探究之美.