再現經典 重溫落體運動規律的歷史探索

吳紅娜

摘 要：實驗是中學物理教學的重要組成部分，讓學生在真實的實驗過程中建立物理概念和規律、理解和掌握物理知識同時培養學生的觀察能力、思維能力、探索精神。本文結合教學實例《勻變速直線運動實例——自由落體運動》，談談如何根據教學內容選擇合適的實驗方法，突破教學難點，與同行們研討。

關鍵詞：自由落體運動；演示實驗；有效教學；經典

實驗是物理課的靈魂，利用不同類型的物理實驗，具體形象地展示物理知識的形成和發展過程，強化學生的感知并糾正在感知中形成的錯覺，從而達到豐富學生頭腦中感性材料的儲存及發展智力、培養能力的目的。現代教育技術的發展讓教師擁有更多豐富教學資源，更現代的教學手段，信息技術、多媒體技術與課堂教學的有機整合使我們的課堂教學更加豐富多彩，但我在《自由落體運動》物理實驗有效教學的實踐研究中有了不同看法，希望與大家一起探討。

這節課教學內容是司南版《普通高中課程標準實驗教科書：物理必修1》第三章第3節《勻變速直線運動實例——自由落體運動》。通過本章前兩節的學習，學生已經知道了勻變速直線運動的基本規律和研究方法，會利用規律分析和解決一些簡單的運動的問題，知道利用打點計時器和頻閃照片研究運動。新課改中提倡探究性學習，我對《自由落體運動》這節的實驗設計，有過以下幾種設想：

（1）學生分組實驗，使用打點計時器、紙帶以及重物來進行實驗，將重物下落的過程轉化為紙帶上靜態的點，通過對點跡的研究，發現相鄰的兩段相等的時間內的位移的增量Δh是一個定值，從而判定該運動是勻加速直線運動，同時根據Δh=gT2算出加速度。

（2）展示頻閃照片拍攝過程，引導學生通過頻閃照片看到自由落體運動的軌跡是一條直線，在連續相等的時間內通過的位移越來越大，說明自由落體運動是初速度為零的加速直線運動，分發事先打印好的頻閃照片讓學生通過數據計算分析得出自由落體運動的規律。

（3）學生分組實驗利用傳感器記錄自由落體運動不同位置的速度，利用電腦同步繪制速度圖像，速度圖像是一條直線說明自由落體運動是勻變速直線運動，同時利用圖像斜率自動算出重力加速度。

這些設想在網上很多全國性的比賽中都有不同的體現，很多老師為這些方案自主設計出不同的實驗裝置，讓學生進行分組探究性實驗，探究自由落體規律，自主探究的時間一般是半節課，很好的突破教學難點。但在對教材的研究中，教材中的插圖（如圖1）引起我的注意，這是伽利略“沖淡重力”實驗，也是十大經典實驗之一，再現 “經典實驗”，由物理學史出發，讓學生體會伽利略研究自由落體運動的思路和方法，掌握自由落體運動的規律外，更重要的是學習伽利略不畏艱難的科學探索精神。

我利用實驗室演示凸透鏡成像的燈具臺做成斜面軌道，音樂課用的節拍器當成水鐘計時，小鐵模擬“沖淡重力”實驗，通過問題的討論，讓學生積極參與課堂活動，設疑、解疑、探求規律，做到師生默契配合、情理交融，使學生始終處于積極探求知識的過程中，在原有認知水平上進一步深化拓寬，達到認知的螺旋上升，攻克難點，達到最佳的學習心理狀態。

演示實驗生動有趣，易形成懸念，它在創設問題情境，激發學生的學習興趣，增強學生在學習中的積極性和主動性，引導學生追根求源探索知識上有極其重要的作用。通過實驗，將各種物理過程生動、形象地展示出來，使學生對理論內容本身有透徹的理解、深刻的記憶，激發學生對物理學的濃厚興趣，甚至吸引一些學生一生投身于物理學的研究。可見，物理演示實驗在物理教學中一直起著舉足輕重的作用。簡單的演示實驗也可以得到很好的教學效果，善用簡單的演示實驗不僅培養學生對物理的學習興趣，更多地拓寬學生視野豐富他們的想象，而且能有效地提高了學生的觀察能力、分析問題和解決問題的能力。

附教學實例：

[教學過程]

引入：設置情景，激發興趣

素材：日常下落運動ppt

教師：愛因斯坦曾頗為感慨的說：“有一個基本問題，幾千年來都因為它太復雜而含糊不清，這就是運動問題”請看屏幕，熟透的蘋果會落地，露珠下落，飄落的樹葉、雪花，這些落體運動，我們是司空見慣的，上課前我就兩個輕重不同的物體，由同一高度，同時由靜止釋放，誰先落地？進行一次隨機采訪，我們不防先來聽聽他們的說法。

素材：采訪視頻

他們的說法不一，歷史上我們也曾有過這樣的困惑

新課教學

1. 歷史回顧

演示：鐵球與紙片下落

誰下落快

鐵球快

素材：時空對話ppt

你們看到了鐵球快，古希臘百科全書式的人物亞里士多德也看到了，他通過反復的觀察，歸納總結，提出重的物體比輕的物體下落要快，物體下落快慢由重量決定。這觀點符合人們的生活經驗，加上亞里士多德的權威地位，這種觀點在近2000年的時間里一直被奉為經典，寫進教科書。

一直到16世紀末，伽利略對此提出質疑，他認為物體下落快慢與輕重無關，輕物與重物下落一樣快，這種觀點，不被當時的學術界認可。那么伽利略是如何推翻亞里士多德的觀點呢？

問題：伽利略是如何推翻亞里士多德的觀點？

素材：比薩斜塔實驗 、邏輯推理（歸謬法）

實驗：學生設計小實驗推翻亞里士多德的觀點

問題：那日常生活中，物體下落有快慢，是因為輕重不同嗎？那是因為什么原因？

學生：空氣阻力

推進：如果減少空氣阻力，鐵球與紙片下落快慢越接近。

如果沒有空氣阻力鐵球與紙片下落快慢一樣

教育：看待問題不能憑直覺，要透過現象看本質

2. 自由落體運動

（1）定義：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動。

（2）條件：①只受重力 ②從靜止開始

（3）自由落體運動是一種理想化的模型，阻力遠小于重力，就可看成自由落體運動（抓住主要因素，忽略次要因素）

（4）運動特點：同一地點同時做自由落體運動，快慢相同，與輕重無關

素材：牛頓管實驗、阿波羅登月實驗

教育：實踐是檢驗真理的唯一標準

3. 探究自由落體運動的規律

問題：那自由落體運動是一種怎樣的運動，有怎樣的規律？

學生：直線 、加速、勻加速直線

老師：在伽利略時代，測量手段非常落后，滴水法測時間，那么伽利略是如何研究自由落體運動的規律？讓我們一起來重走大師路，體驗科學研究方法，希望大家可以習其方法得其精髓。

素材：伽利略對研究自由落體運動的探究過程ppt

實驗：模擬“沖淡重力”實驗

教育：學習研究自然規律的科學方法“提出假設→數學推理→實驗驗證→合理外推”，更要學習伽利略不畏艱難的科學探索精神。

老師：剛才我們穿越到幾百年前過了一把伽利略的癮，但是實際上，以現在的水平，我們想要探究自由落體運動的性質，我們能想到哪些辦法？需要那些儀器？

學生：打點計時器、頻閃照片、光電門等。

素材：頻閃照片、打點計時器

學生：根據上節內容，通過對頻閃照片、打點計時器的測量與計算，判斷是否勻加速，如是，利用逐差法求加速度

4. 重力加速度g=9.8m/s2 方向：豎直向下估算時取g=10m/s2

素材：ppt展示書47頁表3-5不同地區重力加速度大小

（1）緯度越高，g越大。南北兩級比赤道g大。

（2）海拔越高，g越小。高山比海平面g小，位置越高g越小。

重力加速度g我們在后面的學習中還會討論。

5. 自由落體運動的運動公式

學生：寫在書47頁空白的方框中

vt=gt

h=（1/2）gt2 g取9.8m/s2

vt2=2gh

注意式中的h是指下落的高度

6. 應用

游戲：書48頁迷你實驗室，測量反應時間

7. 作業

（1）閱讀教材第三章第3節《勻變速直線運動實例——自由落體運動》

（2）書51頁1～4

8. 詩歌小結

物體運動有快慢？ 生活經驗誤判斷！不畏質疑與艱難，追求真理走在前。自由落體之概念，忽略阻力要先言。物體從空自由下，輕重沒有快慢差。你我一個加速度，共同享受九點八。