自由落體運動中“物理學史—探究”的學習方法探討

孫濛偉

摘要：自由落體運動是高中物理學習中非常重要的知識點，我通過運用“物理學史-探究”方法學習，從學者知識點發現歷史來了解和學習知識點，取得了不錯的學習效果，故對這種學習方法進行總結，并推薦給更多的同學。

關鍵詞：自由落體運動；物理學史-探究；學習方法

物理學史主要表現了人類探索以及認識物理世界特征、現象、本質以及規律非常重要的歷程。我們在對物理知識進行探索的過程中，通過將物理學史與教學融合起來，通過對知識進行“再發現”以及對科學家發現科學的“過程、起因”了解，感受科學家們的思維以及探索過程，感悟物理規律和物理概念的形成，發掘更好的科學方法和思想，明確科學的本質，才能夠更好的形成物理認知結構，達到學習的事倍功半[1]。現將我在物理“自由落體運動”知識的學習中，通過“物理學史-探究”具體學習過程作如下總結。

1“物理學史-探究”學習方法

在“自由落體運動”一節中“勻變速直線運動的研究”一章主要起著示例、總結的作用，可以說本章非常重要的部分。其學習難點主要在于能夠發現自由落體運動規律及其運用。但因為受到以往經驗的影響，我們通常會認為“重物體落得相對較快，輕物體落得相對較慢”，這可能會困擾我們在“自由落體運動”上的學習[2]。為此，我們可以通過“物理學史-探究”的方法來探索自由落體運動，具體方法為：

1.1提出問題

在學習自由落體運動時，我首先提出了兩個問題：（1）蘋果樹上是樹葉和蘋果同事掉落，會同時落到地上嗎？（2）重的物體一定就落得更快嗎？為了驗證這兩個問題，我拿了兩張相同大小和材質的紙張，其中一張將其揉成團，讓它們從同高度的桌面上一起下落。根據實驗現象，我再次思考：在物體下落期間，其運動的情況與哪些因素相關呢？

1.2回顧歷史

收集亞里士多德的歷史信息，充分了解其生平事跡，總結其對歷史的正面和負面影響，概括他的主要物理觀點，重點了解亞里士多德在物體所受到的重力與其下落速度呈現為正比觀點的了解，簡單來說就是傳統認為的重物體比輕物體先落到地。通過歷史的回顧，我發現早在一千多年前，就有學者對這個觀點提出了質疑，但到了16世紀末期，伽利略才對此提出了其個人觀點。再次，我對伽利略的的歷史信息，充分了解其生平事跡，并分析了伽利略在自由落體運動研究的時代背景以及研究的起因。

1.3重塑歷史

1.3.1質疑：通過對亞里士多德以及伽利略觀點的對比，可以看到兩位學者的觀點明顯存在反差。而為了驗證伽利略的觀點，我首先根據亞里士多德的觀點進行了兩項實驗：（1）選取一張紙和一枚硬幣同時從同一高度的桌面拋下；（2）將硬幣置于紙張的上方，將其視為一個整體將其與紙張、硬幣同時拋下。通過實驗對比發現，硬幣第一個落地，結合了紙張的硬幣第二個落地，紙張第三個落地。我認為出現這種情況，可能是由于紙張的輕輕托起了硬幣，使得其下落的速度受阻，而紙張則因為受到硬幣的重力，使得其下落的速度加快；紙張與硬幣的整體較之單紙張明顯加快，而與單個硬幣比較明顯減緩。但是若從另一個層面來看，紙張與硬幣的結合明顯增加了重力，但卻并未沒有增加其下落的速度，這與亞里士多德的觀點明顯不符。為此，伽利略可能是通過這種方式來推翻亞里士多德的觀點，其認為只是依照物體本身的重量來判斷自由落體運動速度必然會存在諸多缺陷。

1.3.2真空管實驗：在對伽利略觀點的了解中，物體在下落的過程中，其速度同時還與物體穿過的介質重量存在相關性；而從密度的角度來分析，當物體的密度超過了介質密度時，那么它就會出現明顯的下沉，反之則會上升；而材料相同的物體，無論其大小在相同的介質中均會表現出同樣的下落速度。為此，伽利略得出了這樣的結論：在真空環境下下落時，不同材質的物體其下落的速度主要受到其密度的決定。但經過實驗觀察，伽利略發現不同材質的物體在不同的介質中下落的速度存在差異，并且表現出明顯的介質密度逐漸減小時，物體下落時的速度差也就越小；當其在遭遇到稀薄空氣且逐漸接近真空介質時，物體下落的速度也就會無較大差別。基于此，伽利略提出了一個大膽的質疑：在真空條件下，所有物體的下落速度無差別。通過上述分析，我同時進行了“牛頓管”實驗：在充滿空氣的玻璃管內放入金屬片與羽毛各一片，將其同時倒轉下落，金屬片明顯下落的更快；但當我將玻璃管中的空氣抽取后，兩者再次下落，其速度無差別。此時，我了解到了落體運動快慢最大的影響的因素是其介質產生的阻力；在沒有任何阻力的情況下，物體的下落與其重量大小無關。

1.3.3斜面實驗：因伽利略主要是受到開普勒和哥白尼數學形式獲得行星運動規律表述的啟發，對物體下落的精確規律進行重新構思。根據不同的情況和因素其提出了兩種可能：速度可能與位移呈現為正比；速度可能與時間呈現為正比。為了能夠對這個實驗做進一步驗證，充分考慮豎直方向下落物體速度過快，不容易觀察和獲取相關數據的情況，故提出了運用斜面來進行的實驗方法，也就是較為著名的斜面實驗。這是我提出了這樣一個問題：伽利略提出的這個斜面實驗與自由落地到底有什么關系。可能是由于當斜面的傾斜角度達到90°時，即可實現自由落體運動。這是我通過我網絡學習資料進行了物體沿斜面下滑的運用實驗，通過觀察我發現下滑運動為勻變速直線運動，而直線落體運動也是勻變速直線運動。為此，我認為如果說抽氣管實驗是一個非常單純地定性觀察方法，那么斜面實驗就是伽利略提出的一種定量的測量方法。伽利略通過邏輯推理、實驗觀測以及數學驗算給我們展現了，敢于提出不同觀點的勇氣以及執著驗證觀點的精神，非常值得我們共同學習。

2結論

自由落體運動是我們物理知識學習中非常重要的章節，但是我想不少同學與我一樣經常面臨著傳統觀念和物理觀念的混淆，但我發現在結合了物理學者探究歷史的學習之后，我不僅對這種學習方式更加充滿興趣，并且知識點更易掌握，印象也非常深刻。

參考文獻

[1]施堅.應用“情境—探究—生成”策略實現物理思維可視化——以人教版必修1“自由落體運動”為例[J].中學物理教學參考，2015，44（07）：5-8.

[2]陳顯盈，尤愛惠.對“伽利略對自由落體運動的研究”的三點補充[J].物理教學探討，2012，30（06）：13-15.endprint