談自由落體運(yùn)動(dòng)的教學(xué)

張儉

《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中有“注重科學(xué)探究”的理念和“經(jīng)歷基本科學(xué)探究過(guò)程，具有初步的科學(xué)探究能力”的目標(biāo)，更加重視了科學(xué)探究的教育作用，強(qiáng)調(diào)了過(guò)程和方法的學(xué)習(xí)。

物理學(xué)在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程中形成的科學(xué)方法，不僅對(duì)物理學(xué)的研究而且對(duì)整個(gè)自然科學(xué)甚至社會(huì)科學(xué)的研究都有較大影響。進(jìn)行物理科學(xué)方法的教育，也就是常說(shuō)的培養(yǎng)學(xué)生具有一副“物理”的頭腦，懂得在物理科學(xué)中，人們是如何思考，如何發(fā)現(xiàn)和研究、解決各種問(wèn)題的。在課堂教學(xué)中，應(yīng)該盡可能重現(xiàn)人們對(duì)物理世界的認(rèn)識(shí)過(guò)程，通過(guò)對(duì)生活實(shí)際中物理現(xiàn)象的回憶、通過(guò)課堂上的演示實(shí)驗(yàn)（包括互動(dòng)實(shí)驗(yàn)）、通過(guò)資料的說(shuō)明，把實(shí)驗(yàn)、觀察和理論思維有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。引導(dǎo)學(xué)生去看、去做、去想，使他們?cè)陂L(zhǎng)期的潛移默化的過(guò)程中，受到科學(xué)方法的鍛煉和科學(xué)思想的熏陶，養(yǎng)成良好的科學(xué)品質(zhì)。

本課的地位：自由落體運(yùn)動(dòng)的教學(xué)在高中物理教學(xué)中具有特殊的地位，雖然在知識(shí)上它是作為勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)教學(xué)之后的一個(gè)特例，但是在整個(gè)高一年級(jí)教學(xué)的安排上，由于勻變速運(yùn)動(dòng)的教學(xué)重點(diǎn)在于規(guī)律的應(yīng)用，自由落體運(yùn)動(dòng)的新課教學(xué)則要向?qū)W生介紹近代物理的先驅(qū)伽利略是如何進(jìn)行研究的——這是向高中學(xué)生首次介紹伽利略的物理學(xué)研究方法的教育，它在整個(gè)高中物理教學(xué)中具有特殊重要的意義。

本課的教學(xué)設(shè)計(jì)要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是怎樣引入課題和分析論證課題;二是介紹伽利略在物理研究方法上的特點(diǎn)以及自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這兩個(gè)問(wèn)題是統(tǒng)一的，前者是教學(xué)的組織，即課程流程的形式;后者是課題的內(nèi)容，即課程資源的配置。這兩者的結(jié)合便是本課教學(xué)的任務(wù)。

一、課題分析及教學(xué)設(shè)計(jì)

自由落體運(yùn)動(dòng)是學(xué)生接觸到的一種重要的理想條件下的運(yùn)動(dòng)。在一般的教學(xué)中，教師的講授往往停留在批判亞里斯多德的錯(cuò)誤論斷，證明伽利略的觀點(diǎn)，學(xué)生也往往滿(mǎn)足于獲得“輕、重物體下落得一樣快”這樣一個(gè)結(jié)論。顯然，從方法教育的角度來(lái)說(shuō)，這樣的教學(xué)給學(xué)生的知識(shí)是很膚淺的。

事實(shí)上落體運(yùn)動(dòng)受多種多樣因素（物體輕重和形狀、下落速度等等）的影響，因而在本課的學(xué)習(xí)中，應(yīng)使學(xué)生懂得如何通過(guò)對(duì)影響落體運(yùn)動(dòng)的各種因素的分析，把運(yùn)動(dòng)的條件理想化，正確地提出問(wèn)題——研究真空條件下的落體運(yùn)動(dòng)才是教學(xué)的重心;還應(yīng)使學(xué)生懂得在實(shí)際的研究中，如何創(chuàng)造近似于理想化的條件，從而找到自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

二、教學(xué)過(guò)程

（一）課題的引入

敘述日常生活中的落體現(xiàn)象，比如樹(shù)葉的飄落、投籃的籃球等，對(duì)這些的軌跡作一些簡(jiǎn)單的描述。

演示：1. 光盤(pán)從空中由靜止掉下來(lái);

2. 與光盤(pán)表面等大的圓紙片從空中飄下。

與學(xué)生分析得出落體中最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)軌跡也應(yīng)是直線(xiàn)。物體之所以會(huì)下落，是由于受到了重力的作用，落體運(yùn)動(dòng)是一種很有代表性的變速運(yùn)動(dòng)。

提問(wèn)：（1） 落體運(yùn)動(dòng)具有怎樣的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)？

（2） 這種運(yùn)動(dòng)是什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)呢？

比較光盤(pán)和紙片下落的快慢，根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)，可以得出“重的物體下落快”的結(jié)論。

演示：光盤(pán)與光盤(pán)表面等大的圓紙片在同樣高度一起下落。

亞里士多德研究的方法是觀察與思考，他認(rèn)為人類(lèi)只要憑借觀察自然現(xiàn)象，再加上大腦的思考便足以建立起宇宙間萬(wàn)物變化的規(guī)律。在其后兩千多年的時(shí)間里，人們一直信奉他的這種看法。那么他的看法是否正確呢？

（2） 對(duì)“重的物體下落快”的結(jié)論的質(zhì)疑

師生互動(dòng)演示：請(qǐng)同學(xué)們重復(fù)光盤(pán)和圓紙片下落的實(shí)驗(yàn)，比較：

1. 圓紙片與同類(lèi)圓紙片捏成的紙團(tuán)在同樣高度一起下落;

2. 光盤(pán)與光盤(pán)表面等大的圓紙片捏成的紙團(tuán)在同樣高度一起下落;

3. 比光盤(pán)重的書(shū)和光盤(pán)在同樣高度一起下落;

4. 圓紙片放光盤(pán)下一起下落;

5. 圓紙片放光盤(pán)上一起下落

描述實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象：

（1） 的現(xiàn)象是紙團(tuán)比圓紙片下落得快;

（2） 的現(xiàn)象是兩者幾乎同時(shí)落地;

（3）的現(xiàn)象是比光盤(pán)重的書(shū)本比光盤(pán)后落地，說(shuō)明“重的物體下落快”的結(jié)論不正確。

提問(wèn)：上述現(xiàn)象是什么原因造成的？（由于之前的認(rèn)知基礎(chǔ)，學(xué)生會(huì)回答下落快慢不同是由于空氣阻力造成的）

[注：在這里借學(xué)生的回答可讓學(xué)生感受要獲得真理，就不能盲從任何以前的權(quán)威，由此體現(xiàn)出伽利略質(zhì)疑的艱難和實(shí)驗(yàn)的重要。]

其實(shí)有傳說(shuō)伽利略在比薩斜塔上做過(guò)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是大、小鐵球同時(shí)落地。現(xiàn)有資料顯示，伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究是另有它法，先且不論伽利略的方法如何，至少對(duì)我們來(lái)說(shuō)有幾點(diǎn)是很有啟發(fā)的：

1. 伽利略敢于向亞里士多德這樣的大權(quán)威挑戰(zhàn);

2. 伽利略懂得用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)自己的推論并且用事實(shí)來(lái)說(shuō)服和自己持不同觀點(diǎn)的人;

3. 伽利略對(duì)亞里士多德的“重物體比輕物體下落得快”的說(shuō)法有一段很精彩的反駁，大意是：將輕重不同的兩個(gè)物體都綁在一起，從一個(gè)角度看，它們的總重量比原來(lái)較重的那個(gè)物體還要大，按照亞里士多德的觀點(diǎn)，它們應(yīng)該下落得比原來(lái)較重的物體還要快些;但從另一個(gè)角度看，由于輕、重物體之間相互牽扯，則它們一起下落應(yīng)該比原來(lái)較輕的物體快些，而又應(yīng)該比原來(lái)較重的物體慢些。這說(shuō)明亞里士多德的觀點(diǎn)本身存在矛盾。

[注：請(qǐng)注意，這番辯論只證明了亞里士多德觀點(diǎn)的內(nèi)在矛盾，而沒(méi)有證明輕、重物體下落得一樣快。]

（二）運(yùn)動(dòng)的分析

1. 正確地提出問(wèn)題，研究真空條件下落體的加速度

第一個(gè)問(wèn)題：我們應(yīng)該在什么條件下研究不同物體的下落運(yùn)動(dòng)？

思考：怎樣才能使紙片下落變快？

把圓紙片捏成紙團(tuán)（之前已做過(guò)），或把圓紙片放置在光盤(pán)的下面，或紙片緊貼在光盤(pán)的上面（這個(gè)方式的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相當(dāng)震撼），看到的現(xiàn)象是圓紙片隨光盤(pán)下落，顯然圓紙片下落變快。E227C040-01ED-487B-B6E2-172084992B78

總結(jié)：從剛才的實(shí)驗(yàn)看，物體下落的快慢和輕重（質(zhì)量）的關(guān)系比較復(fù)雜，既不能說(shuō)越重越快，也不能說(shuō)越輕越快;重量相同的兩個(gè)物體，下落快慢也可能不同。需要換一個(gè)視角來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題：除了物體受到的重力以外，還需考慮其它因素。

再提問(wèn)：這個(gè)因素是什么？

這個(gè)因素是：空氣阻力。

由于影響空氣阻力大小的因素太復(fù)雜（如物體的形狀、速度的大小、空氣的密度等），所以我們最好先研究物體在沒(méi)有空氣阻力的條件下的下落規(guī)律。

給出“自由落體”的定義：物體在只有重力作用下從靜止開(kāi)始下落的運(yùn)動(dòng)叫自由落體運(yùn)動(dòng)?！白杂陕潴w”在地球大氣層里只能是一種理想的運(yùn)動(dòng)。但當(dāng)空氣阻力不太大時(shí)，實(shí)際的落體運(yùn)動(dòng)往往也可以近似地看作是“自由落體”運(yùn)動(dòng)。

[注：在科學(xué)研究中，通過(guò)對(duì)紛繁復(fù)雜的現(xiàn)象的分析，理出頭緒，正確地提出問(wèn)題，是非常關(guān)鍵的。從研究“輕、重物體哪個(gè)下落得快”到研究“物體在沒(méi)有空氣阻力條件下的下落運(yùn)動(dòng)”是一個(gè)飛躍。]

第二個(gè)問(wèn)題：什么是物體下落的“快”和“慢”？

這可以是指物體在一定時(shí)間內(nèi)下落距離的長(zhǎng)短，或指物體下落一定距離所需時(shí)間的長(zhǎng)短。這里表述的是“平均速度”，而落體運(yùn)動(dòng)本身是一種變速運(yùn)動(dòng)，因此比較兩個(gè)落體速度的大小也是無(wú)意義的。

提問(wèn)：對(duì)一種變速運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，最能反映它的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的，是什么物理量呢？

這個(gè)量是加速度。因此，我們做了以下的猜想：

（1） 不同物體自由落體是不是具有相同的加速度？

（2） 自由落體的加速度是多少？

就第一個(gè)問(wèn)題而言，由式y(tǒng)=at2/2，我們通過(guò)比較各自由落體下落相同距離所需時(shí)間是否相同，來(lái)判斷它們的加速度是否相同，至于自由落體加速度的大小，也容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。

[注：這一段從人們的直觀印象“快”“慢”，上升為研究加速度的大小，從而使思維更加嚴(yán)密。最后由式y(tǒng)=at2/2仍歸結(jié)為比較各物體下落相同距離所需時(shí)間的長(zhǎng)短，但顯然思維的深度已經(jīng)不同了。]

2. 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

現(xiàn)在讓我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)具體地研究一下自由落體運(yùn)動(dòng)。

提問(wèn)：怎樣才能使一個(gè)物體作自由落體運(yùn)動(dòng)呢？

物體不受空氣阻力。

當(dāng)然，用抽氣機(jī)并不能把實(shí)驗(yàn)裝置里的空氣完全抽盡。但只要空氣足夠稀薄，空氣阻力比物體受到的重力小很多，則物體的下落運(yùn)動(dòng)就非常接近自由落體運(yùn)動(dòng)了。那么我們是否可以從相反的方向想一下，如果物體的密度很大（因此體積相對(duì)來(lái)說(shuō)很?。宜男螤罱孛婧苄?，則即使不把空氣搞得很稀薄，空氣阻力與重力比較還是可以忽略，而物體的下落運(yùn)動(dòng)仍很接近自由落體運(yùn)動(dòng)，就像比薩斜塔實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)球一樣。

演示：牛頓管實(shí)驗(yàn)

讓學(xué)生觀察管與外界相通時(shí)，羽毛、軟木塞、銅片的運(yùn)動(dòng)，再將牛頓管抽成真空，觀察羽毛、軟木塞、銅片在無(wú)空氣阻力時(shí)的落體運(yùn)動(dòng)。抽真空時(shí)，羽毛、銅片和軟木塞同時(shí)落到管的底部。

[注：強(qiáng)烈的反差給學(xué)生的心理帶來(lái)了極大的震撼，學(xué)生情緒激昂，為自己的假設(shè)得到驗(yàn)證而感到興奮，同時(shí)為物理實(shí)驗(yàn)的魅力所折服。]

介紹：1971年，美國(guó)宇航員斯科特在月球表面上，將一把鐵錘和一片羽毛從同一高處同時(shí)放下，結(jié)果他觀察到兩個(gè)物體同時(shí)落“月”。

[注：由此而產(chǎn)生的對(duì)物理學(xué)科的情感是用其它方法無(wú)法獲得的，這種情感就會(huì)化作學(xué)好物理的堅(jiān)定信念。]

總結(jié)：在空氣阻力可忽略的條件下，質(zhì)量不同的物體下落的加速度相同。這個(gè)加速度又可稱(chēng)為重力加速度。

[注：使學(xué)生理解控制條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究是物理研究中的一種基本思想，同時(shí)理解理論上的理想條件與實(shí)際研究中的近似條件之間的辯證關(guān)系。]

（三）規(guī)律的應(yīng)用

師生互動(dòng)小實(shí)驗(yàn)：測(cè)量“反應(yīng)時(shí)間”。

1. 器材：長(zhǎng)30cm的塑料尺。

2. 步驟：請(qǐng)一位同學(xué)用兩個(gè)手指捏住尺子頂端，另一位同學(xué)用一只手在尺子底部做握住尺子的準(zhǔn)備，但手的任何部位都不要碰到尺子。當(dāng)看到放手時(shí)，另一位同學(xué)立即握住尺子。測(cè)量出尺子從下落到被握住的距離h。

3. 成品：根據(jù)自由落體的公式折算，在尺子上寫(xiě)上反應(yīng)時(shí)間的數(shù)值，就是一把測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的尺子。

[注：把測(cè)量反應(yīng)時(shí)間改變?yōu)闇y(cè)量物體下落的高度，把較難測(cè)量的量改變?yōu)榘演^易測(cè)量的量，這是對(duì)物理量的一種間接測(cè)量，是測(cè)量變換的物理思想。]

三、教學(xué)說(shuō)明

愛(ài)因斯坦有句名言：“對(duì)真理的探求比對(duì)真理的占有更可貴”。本節(jié)課主要考慮了兩個(gè)問(wèn)題：一是怎樣提出課題并且論證課題，也就是如何組織教學(xué)的問(wèn)題;二是介紹自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及伽利略在物理研究方法上的特點(diǎn)，即落實(shí)教學(xué)內(nèi)容本身。在教學(xué)過(guò)程中，采用實(shí)驗(yàn)探究的思路，從身邊的現(xiàn)象入手分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)思維情境，貫穿科學(xué)方法這條主線(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)、思考、探究、再實(shí)驗(yàn)、再思考、再探究……的一系列活動(dòng)中，使學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)由“前概念”逐步升華為科學(xué)的理論和規(guī)律。同時(shí)在教學(xué)的實(shí)施中尤其重視調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。E227C040-01ED-487B-B6E2-172084992B78