基于“沖淡”重力斜面實驗的“自由落體運動”教學設計

陳曉媚 王笑君

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

人民教育出版社普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修1》[1]第二章第5節(jié)為“自由落體運動”，教學內容如圖1所示.

圖1 “自由落體運動”教學內容

第6節(jié)為“伽利略對自由落體運動的研究”，教學內容如圖2所示.

圖2 “伽利略對自由落體運動的研究”教學內容

傳統(tǒng)教學通常是按照教材的編排，將自由落體運動的規(guī)律探究與物理學史分開來講.在學完自由落體運動一節(jié)后，由于實驗條件的限制，許多教師沒有將下一節(jié)中教材中提到的“沖淡重力”斜面實驗重現(xiàn)出來，實際教學缺乏真實情境，造成學生對伽利略的科學思想方法只處于淺層的認識和了解，不利于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

《普通高中物理課程標準(2017年版)》[2]中要求：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，認識物理實驗在物理學研究中的作用.斜面實驗是伽利略研究落體運動規(guī)律的關鍵，因此本教學設計將第6節(jié)中伽利略的“沖淡”重力斜面實驗引入第5節(jié)自由落體運動的新課教學，重新設計了斜面實驗，再現(xiàn)伽利略斜面實驗研究，探究自由落體運動的性質.對教材這兩節(jié)內容的重新整合如圖3所示，本文對整合后的“自由落體運動”一節(jié)內容制定了教學設計.

圖3 教學內容重新整合

1 教學目標設計

(1)認識自由落體運動并知道其定義；

(2)重現(xiàn)伽利略研究自由落體運動的過程，通過邏輯推理和實驗理解自由落體運動是一種勻加速直線運動；

(3)體會實驗對物理學發(fā)展的推動作用和科技進步帶來的便利.

2 學生情況分析

筆者實施本教學設計的對象是高一學生，在此前他們剛剛結束對勻變速直線運動規(guī)律的學習，具備描述運動基本概念的基礎知識.但是，伽利略對自由落體運動的研究過程邏輯性強，斜面實驗的設計、操作都是教學的難點.

3 教材實際處理

(1)第5節(jié).引進伽利略“沖淡”重力的斜面實驗，將亞里士多德對運動的描述、伽利略對自由落體運動的研究整合到自由落體運動規(guī)律探究的教學過程中，并在實驗前說明伽利略開展自由落體運動規(guī)律研究的前提是忽略空氣阻力.

(2)第6節(jié).增加驗證自由落體規(guī)律和測量自由落體加速度的實驗內容；歸納自由落體運動的速度-時間公式、位移-時間公式和速度-位移公式；補充史料如伽利略的數據手稿、比薩斜塔落體實驗[3，4]等.

4 “沖淡”重力斜面實驗設計

伽利略當時計時工具不夠精確，于是用小球沿平滑斜面滾下過程代替豎直下落過程，即“沖淡”重力，使得小球緩慢運動.為了更加接近歷史事實，體驗邏輯推理在研究物理問題中的重要性，筆者重新設計了斜面實驗，呈現(xiàn)物理學家伽利略精妙的實驗設計和技巧，使學生學習自由落體運動的同時,經歷與前人相似的探究過程.

實驗說明：采用小角度的斜面，當滑塊速度較小時，氣墊導軌的空氣粘滯阻力可以近似看成恒力，因此不會影響實驗結論.

實驗器材：氣墊導軌、滑塊、光電門和數字計時器，如圖4所示.

圖4 實驗器材

實驗過程：

(1)調節(jié)氣墊導軌一端高度使其形成傾斜斜面，打開開關，將滑塊放上氣墊導軌并無初速釋放.

(2)將3個光電門分別放置在實驗前設定好的位置.接通數字計時器的電源后打開開關，再次釋放滑塊，調試確認儀器完好后將計時器調零.

(3)預先在Excel軟件中設計好表格，交代學生的任務是讀數和記錄滑塊經過每個光電門時的時間(表1)，測量擋光片的寬度，計算滑塊的瞬時速度.

表1 實驗數據

(4)開始實驗，在某一高度處無初速釋放滑塊，記錄數據導入Excel表格中畫圖.同一高度重復實驗，作v2-x圖.

(5)改變實驗條件，分別用不同質量的滑塊、在不同高度處靜止釋放，重復實驗，驗證速度與時間成正比的猜想.

實驗特點：教材中伽利略用“沖淡”重力斜面實驗驗證x∝t2.筆者用光電門和數字計時器解決了瞬時速度難以測量的困難，驗證滑塊速度的二次方與通過的位移成正比(v2∝x).并用Excel軟件繪圖，大大提高了實驗精度并節(jié)省了課堂時間.還可以直接改變斜面傾角，更好地體會“實驗+合理外推”的科學方法.

5 教學過程設計

5.1 刻度尺游戲導入新課

問題1：反應時間是怎么計算出來的？

設計說明：學生將注意力轉移到物體下落這種運動形式，產生探究其規(guī)律的欲望.

圖5 刻度尺游標

5.2 通過亞里士多德的觀點回顧歷史

問題2：重的物體下落得更快嗎？決定物體下落快慢的因素是什么?

設計說明：引出亞里士多德和伽利略對落體運動的研究，學生可以體會邏輯推理的力量.

5.3 相同質量的紙張和紙團下落快慢不同形成思維沖突

問題3：為什么日常生活中常見到較重的物體下落得比較快呢？

設計說明：讓學生經歷與伽利略相同的思考，體驗物理學家研究問題的過程.

圖6 相同質量紙張和紙團同時下落

5.4 演示牛頓管實驗定義自由落體運動

伽利略大膽地確立了新觀點：如果排除空氣的阻力，所有物體將下落得一樣快.

設計說明：讓學生經歷與伽利略相同的思考，體驗物理學家研究問題的過程，如圖7所示.

圖7 自由落體實驗

5.5 參照伽利略的研究思想設計實驗

問題4：自由落體運動的規(guī)律是什么？

介紹伽利略的猜想：速度應該是均勻變化的.確定用“沖淡”重力斜面實驗方法來檢驗猜想.

問題5：收集數據后可以通過什么數學手段驗證v2∝x？

設計說明：突出“猜想與假設”和制定實驗方案的過程，學生認識到猜想與假設必須有事實依據，體會科學信念和直覺思維在猜想假設中的指導作用和變量轉換法以及數形結合在科學研究中的應用.

5.6 斜面實驗驗證猜想得出v2∝x

根據重新設計的“沖淡”重力斜面實驗進行探究，得出 “只要傾角一定，不同質量的滑塊沿斜面下落的加速度都相同”的結論.實驗數據如表2所示，v2-x關系曲線如圖8所示.

表2 實驗數據

圖8 v2-x關系曲線

5.8 分組實驗外推到所有物體自由下落時加速度都相同的結論

問題7：怎樣利用小球在斜面上向下的運動結論得到自由落體運動的性質？

設計說明：突破難點，將伽利略完整的推理和實驗過程融入到自由落體運動規(guī)律的探究中，增加大角度的斜面實驗，使得外推結論合理易接受，進而得出自由落體運動是勻加速直線運動的結論(圖9).

圖9 伽利略外推自由落體運動

6 教學設計的特點

(1)調整了教材內容，遵循物理學史的發(fā)展進程，將歷史上物理學家們對自由落體運動的研究過程滲透在“自由落體運動”一節(jié)的新課教學中.

(2)仿照伽利略的“沖淡”重力斜面實驗，更加貼近物理學史的事實，讓學生在親身經歷前人的探究過程學習自由落體運動的性質.

(3)氣墊導軌的空氣粘滯阻力可被近似看成恒力，在最大程度地還原原始實驗的基礎上提高實驗精度.學生還可以自由設置大角度進行驗證，使得伽利略設想斜面角度增大至90°的“合理外推”更有說服力.