尊重物理學史 感悟邏輯力量
——以“自由落體運動”教學為例

李康康

(安徽省宿城第一中學，安徽 宿州 234000)

物理學史不僅描述了物理學中的概念、規(guī)律和科學研究方法發(fā)展的脈絡，更加揭示了物理學觀念、方法發(fā)生與發(fā)展的內在原因和規(guī)律，是一部研究人類對自然界中各種物理現(xiàn)象的認識史。[1-2]翻開物理學的發(fā)展史，可以發(fā)現(xiàn)這不僅是人類不斷思考、研究方法不斷進步、規(guī)律不斷完善的歷史，更展現(xiàn)了無數(shù)科學家探索自然、獲得真知的過程。

《普通高中物理課程標準(2017年版)》明確了“自由落體運動”的內容要求：“通過實驗，認識自由落體運動規(guī)律。結合物理學史的相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用?！庇纱丝芍?，自由落體運動規(guī)律的習得離不開對物理學史的研究，這就要求教師在教學過程中不僅要關心知識的“去脈”，更要關心知識的“來龍”，不僅要把精力放在知識的應用上，更要注重知識的構建過程，使得概念的建構與規(guī)律的探尋更加符合學生的認知，更加符合物理的學科邏輯。

筆者在教學中貫徹科學史、哲學和社會學(HPS)教育理念，引領學生一起沿著科學家的探索足跡還原歷史過程，創(chuàng)設情境，再現(xiàn)自由落體運動規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，實現(xiàn)進階學習，感受科學家嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，逐步樹立科學的世界觀，提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。

1 感受自然之美，明了亞里士多德錯在哪里

“一葉落知天下秋”，通過播放樹葉、雨滴的下落視頻，讓學生感受自然界中物體下落的美景，引導學生去探究生活中物體的下落運動，從而讓學生形成一種共鳴：人類就是通過對自然現(xiàn)象的研究，實現(xiàn)了科學的不斷進步。

最早研究落體運動的是亞里士多德，亞里士多德是古希臘哲學家、科學家。他通過對落體運動的大量觀察，歸納得出人們熟知的落體理論：重的物體下落快，輕的物體下落慢。教材中在引入本節(jié)內容時通過紙片揉成紙團的對比實驗，引起學生對此理論的質疑。學生由于對亞里士多德的研究背景不甚明了，容易對亞里士多德產(chǎn)生誤解。而事實上亞里士多德在《物理學》第4卷第8章中寫道：“我們看見一個已知重物或物體比另一個快有兩個原因：或者由于穿過的介質不同(如在水中、土中或空氣中)，或者其他情況相同，只是由于各種運動物體的重量或輕重不同?！痹谕徽轮校f明“其他情況相同”是指“形狀相同”即“分開介質的因素相同”?？梢妬喞锸慷嗟玛P于落體的說法是以“物體形狀相同和介質相同”為前提條件的。[3]本節(jié)課基于尊重物理學史的原則，在質疑亞里士多德理論正確性的時候采用了新的實驗。與此同時，讓同學們準備一張紙片和同樣大小的一本書，將紙片和書舉到同一高度同時靜止釋放，觀察到符合亞里士多德落體理論的現(xiàn)象：書下落得快，紙片下落得慢。再讓同學們把紙片疊放在書的上面，第二次進行實驗，可以觀察到以下現(xiàn)象：居然是書和紙片下落一樣快，這樣一個結果和很多同學的猜想是不一樣的，形成了一個出乎意料的矛盾點，激發(fā)了學生的認知沖突。此時，教師進一步點明矛盾：把紙片放在書的上面，紙片下落變得和書一樣快，難道說紙片變重了嗎？學生思考片刻：沒有！由此，我們在“物體形狀相同和介質相同”的前提條件下，反駁了亞里士多德落體理論。

2 減小阻力，邏輯推理的力量

歷史上，最早對亞里士多德落體理論提出質疑的是伽利略。伽利略利用被稱為“歸謬法”的邏輯推理方法，揭示了亞里士多德落體理論的自相矛盾，從而證明這個理論是錯誤的。伽利略經(jīng)過仔細分析后認為，物體下落只能有一種可能性：重的物體與輕的物體下落得同樣快。

當時伽利略已經(jīng)意識到生活中重物和輕物下落快慢不一樣是由于阻力的影響，他需要論證在沒有阻力的情況下，重的物體和輕的物體下落一樣快。受到當時科學水平和儀器設備的限制，伽利略沒有辦法用實驗手段得到在無阻力情況下的落體運動，于是伽利略采用了一種很巧妙的方法，借助邏輯推理的力量減小阻力，設想無阻力的情景，圖1為伽利略1638年出版的著作《關于兩門新科學的對話》中的敘述。

圖1

為了讓學生真切地感受伽利略邏輯思維的力量，在課堂上可以用實驗再現(xiàn)他的思路。取體積相同的玻璃球和鋼球，分別在洗衣液、水、空氣三種介質中同時由靜止釋放(圖2)，對比觀察，討論得出結論:在三次實驗中，使用三種介質，阻力依次減小，物體的下落依次變快，兩物體下落的差距依次減小，進而引導學生合理外推到?jīng)]有空氣阻力時的情況。此時學生自然而然地得出結論：物體將下落得一樣快。那么，結論是否正確呢？

圖2

教師拿出牛頓管，將管內抽成真空，銅片和羽毛的下落一樣快！經(jīng)過這一教學環(huán)節(jié)，學生由衷地對伽利略感到敬佩，在技術條件不允許的情況下，伽利略采用了實驗加邏輯外推的方法得出正確結論，讓學生感受到邏輯推理的力量。

3 “沖淡”重力，世界十大最美物理實驗

科學探索從來都不是一帆風順的，在研究落體運動的過程中伽利略遇到了很多困難，他迎難而上，運用巧妙的方法一一解決。伽利略針對自由落體運動,基于“自然界是簡潔、和諧”的信念，大膽提出猜想：速度v與時間t成正比。受到當時技術的限制，無法直接測定瞬時速度，所以也就無法直接得到速度的變化規(guī)律，但是伽利略通過數(shù)學運算推出結論：如果物體的速度v與時間t成正比，那么落體發(fā)生的位移x就與t2成正比。

當時伽利略采用的計時工具是水鐘，這樣的計時工具無法準確測量自由落體運動所用的短暫時間。在這種背景下，伽利略想到用“沖淡重力”的方法延長運動時間，制作了一個長斜面，讓銅球沿著斜面滾下，就可以延長銅球運動的時間。

課堂教學中，筆者利用一段貼合度很高的視頻還原了伽利略所做的實驗(圖3)，在播放視頻之后，引導學生參與活動，根據(jù)節(jié)拍器去記錄相等的時間間隔內小球發(fā)生的位移，一起去處理數(shù)據(jù)，探究位移與時間的關系，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)數(shù)據(jù)學生發(fā)現(xiàn)：位移x與t2成正比。

圖3

表1

伽利略做了上百次的實驗，證實小球沿斜面滾下的運動確實是勻加速直線運動，在當時的條件下，在實驗的方案設計方面作了很多創(chuàng)新，這個實驗被譽為“世界十大最美物理實驗”之一。

4 合理外推，發(fā)現(xiàn)自由落體運動規(guī)律

斜面實驗取得了成功，但如何由斜面實驗的結論推理得出落體運動的規(guī)律呢？伽利略又勇敢地向前走了一步，在斜面實驗的基礎上進行合理的外推(圖4)：斜面傾角逐漸增大，小球仍然做勻加速直線運動，當斜面的傾角增大到90°，這時小球的運動就是自由落體運動了。伽利略認為這時小球也會做勻加速直線運動，且所有物體下落時的加速度都是一樣的。伽利略基于斜面實驗的結論進行外推，總結出了自由落體運動規(guī)律。

圖4

5 運用現(xiàn)代科學手段進行驗證，感受時代的進步

隨著科技的發(fā)展，人們可以利用先進的現(xiàn)代設備去驗證自由落體運動規(guī)律。筆者在課堂上用手機拍攝一段物體下落的視頻，借助Tracker軟件分析處理數(shù)據(jù)(圖5)，通過擬合實驗數(shù)據(jù)得出結論(圖6)，驗證了伽利略的研究結論：落體運動的位移與下落時間的平方成正比。

圖5

圖6

5 結語

伽利略是一位偉大的科學家，被后人稱為“現(xiàn)代科學之父”。伽利略的成功之處，不僅在于找到了正確的落體運動規(guī)律，更重要的在于創(chuàng)立了把科學受控實驗與數(shù)學、邏輯推理結合起來的科學研究方法，愛因斯坦對此進行了高度的評價：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端?！?/p>

筆者與學生一起重走科學家探究自由落體運動規(guī)律的道路，在探究中提高科學思維和科學探究能力，落實物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。