利用物理學(xué)史提升高中生探究能力的實(shí)踐研究
——以《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》教學(xué)設(shè)計(jì)為例

婁高華

(甘肅省臨夏回民中學(xué) 731100)

一、預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑

(一)教師提問：我們?cè)谏弦还?jié)課已經(jīng)學(xué)習(xí)了自由落體運(yùn)動(dòng)知道：

1.定義？回答略

2.實(shí)質(zhì)？回答略

(二)教師指出：紙張比石頭下落得慢是由于空氣阻力的影響，但使人誤以為“重物比輕物下落得快”.這正是統(tǒng)治了兩千多年的亞里士多德的觀點(diǎn).

二、教師利用物理學(xué)史情景引入、展示目標(biāo)

我們用手拿一個(gè)小球和一張紙片，放開后，小球和紙片從靜止開始下落.我們可以看到，小球先落地，紙片后落地.公元前4世紀(jì)，古希臘偉大的思想家、哲學(xué)家亞里士多德(Arestotle)根據(jù)與我們類似的觀察，直接得出結(jié)論：重的物體比輕的物體下落得快.亞里士多德的論斷流傳了近2000年，直到16世紀(jì)，在意大利的比薩斜塔上，伽利略做了著名的兩個(gè)球同時(shí)落地的實(shí)驗(yàn).兩個(gè)輕重不同的小球同時(shí)落地的聲音，是那樣的清脆美妙，又是那樣的發(fā)聾振聵！它動(dòng)搖了人們頭腦中的舊觀念，開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理之先河，將近代物理學(xué)以至近代科學(xué)推上了歷史的舞臺(tái).今天這節(jié)課我們就一起來經(jīng)歷伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過程，領(lǐng)悟這位大師的科學(xué)精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鑒.

三、教師介紹物理學(xué)史精講點(diǎn)播—伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究

教師介紹物理學(xué)史：綿延兩千年的錯(cuò)誤

亞里士多德的觀點(diǎn)：物體越重，下落越快.公元前，人們對(duì)物體下落的研究很少，憑著觀察認(rèn)為重的物體比輕的物體下落得快.當(dāng)時(shí)，著名的思想家亞里士多德(Aristotle，前384～前322)經(jīng)過了觀察和總結(jié)認(rèn)為“物體下落的速度與重力成正比”.這一觀點(diǎn)正好應(yīng)和了人們潛意識(shí)里的想法；同時(shí)，它又是偉大的亞里士多德提出的論斷，人們深信不疑.從那以后，人們判斷物體下落的快慢，甚至給孩子們上課時(shí)一直堅(jiān)持這一觀點(diǎn)，這一觀點(diǎn)一直延續(xù)了2 000多年，從沒有人對(duì)它提出異議.為什么會(huì)有錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)呢？錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的根源在于不注意探索事物的本質(zhì)，思考不求甚解.

教師要求學(xué)生閱讀物理學(xué)史：16世紀(jì)末，意大利比薩大學(xué)的青年學(xué)者伽利略(Galileo Galilei，1564～1642)對(duì)亞里士多德的論斷表示了懷疑.后來，他在1638年出版的《兩種新科學(xué)的對(duì)話》一書中對(duì)此作出了評(píng)論.根據(jù)亞里士多德的論斷，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大.假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，當(dāng)我們把兩塊石頭捆在一起時(shí)，大石頭會(huì)被小石頭拖著而減慢，結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)的下落速度應(yīng)該小于8；但兩塊石頭捆在一起，總的重力比大石頭還要重，因此整個(gè)系統(tǒng)下落的速度要比8還大.這樣，就從“重物比輕物落得快”的前提推斷出了互相矛盾的結(jié)論，這使亞里士多德的理論陷入了困境.為了擺脫這種困境，伽利略認(rèn)為只有一種可能性：重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快.(傳說伽利略在比薩斜塔上做過落體實(shí)驗(yàn)，但后來又被嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目甲C否定了.盡管如此，來自世界各地的人們都要前往參觀，他們把這座古塔看作伽利略的紀(jì)念碑)

教師介紹物理學(xué)史：伽利略認(rèn)為，自由落體是一種最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng).他設(shè)想，最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)該是均勻變化的.但是，速度的變化怎樣才算均勻呢?他考慮了兩種可能：一種是速度的變化對(duì)時(shí)間來說是均勻的，即經(jīng)過相等的時(shí)間，速度的變化相等；另一種是速度的變化對(duì)位移來說是均勻的，即經(jīng)過相等的位移，速度的變化相等.伽利略假設(shè)第一種方式最簡(jiǎn)單，并把這種運(yùn)動(dòng)叫做勻變速運(yùn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是檢驗(yàn)理論正確與否的唯一標(biāo)準(zhǔn).任何結(jié)論和猜想都必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，否則不成理論.猜想或假說只有通過驗(yàn)證才會(huì)成為理論.所謂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證就是任何人，在理論條件下去操作都能到得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它具有任意性，但不是無條件的，實(shí)驗(yàn)是在一定條件下的驗(yàn)證，而與實(shí)際有區(qū)別.

學(xué)生閱讀物理學(xué)史：伽利略在《兩種新科學(xué)的對(duì)話》中說：“用一塊木料制成長(zhǎng)約12庫(kù)比特、寬半庫(kù)比特、厚三指的板條，在它的上面劃一條比一指略寬的槽，將這個(gè)槽做得很直，打磨得很光滑，在槽上裱一層羊皮紙(也要盡可能光滑).取一個(gè)堅(jiān)硬、光滑并且很圓的銅球，放在槽中滾動(dòng).將這個(gè)木槽的一端抬高一到二庫(kù)比特，使槽傾斜.就像我要講的那樣把球放在槽頂沿槽滾下，記錄下降的時(shí)間.實(shí)驗(yàn)要重復(fù)幾次，以便使測(cè)得的時(shí)間準(zhǔn)確到兩次測(cè)定的結(jié)果相差不超過一次脈搏的十分之一，進(jìn)行這樣的操作，肯定了我們的觀察是可靠的以后，將球滾下的距離改為槽長(zhǎng)的四分之一，測(cè)定滾下的時(shí)間，我們發(fā)現(xiàn)它準(zhǔn)確地等于前者的一半.下一步，我們用另一些距離進(jìn)行試驗(yàn)，把全長(zhǎng)用的時(shí)間與全長(zhǎng)的二分之一、三分之二、四分之三，或者其他任何分?jǐn)?shù)所用的時(shí)間相比較，像這樣的實(shí)驗(yàn)，我們重復(fù)了整整一百次，結(jié)果總是經(jīng)過的距離與時(shí)間的平方成比例，并且在各種不同坡度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也都如此……”

教師要求學(xué)生討論與交流：感受伽利略的探究過程，體會(huì)其科學(xué)方法

教師提出問題：物體做自由落體運(yùn)動(dòng)的速度很快，在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，是很難測(cè)量其位移和相應(yīng)的時(shí)間，有什么方法可以使物體的速度可以慢一點(diǎn)又能研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的？

讓小球在傾斜的軌道上滾下，傾角不要太大可以嗎？

教師介紹物理學(xué)史：當(dāng)時(shí)伽利略就是用這個(gè)方法.他設(shè)計(jì)一個(gè)斜面實(shí)驗(yàn)，使物體的運(yùn)動(dòng)速度變慢，解決了測(cè)量的難題.伽利略在一塊木板上刻出一道直槽，槽內(nèi)貼上羊皮紙使之平滑，用自制的水鐘測(cè)量時(shí)間，探究一個(gè)光滑黃銅小球沿傾斜直槽滑下時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況.我們也可以模擬這個(gè)四百多年前的實(shí)驗(yàn)，感受科學(xué)家的研究方法.

教師并進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)演示.

教師提出問題：伽利略在當(dāng)時(shí)有限的實(shí)驗(yàn)條件研究出初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)中位移和時(shí)間的關(guān)系.現(xiàn)在我們可以用什么儀器比較精確的方法來記錄時(shí)間和位移進(jìn)行研究呢？

教師繼續(xù)實(shí)驗(yàn)：略

教師總結(jié)科學(xué)探究過程：對(duì)現(xiàn)象一般觀察—提出猜想—運(yùn)用邏輯推理—實(shí)驗(yàn)對(duì)推理驗(yàn)證-對(duì)猜想進(jìn)行修證(補(bǔ)充)—推廣應(yīng)用.伽利略的科學(xué)思想方法的核心是把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理(包括數(shù)學(xué)推理)和諧地結(jié)合起來，從而有力地推進(jìn)了人類科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展.

四、布置作業(yè)

這節(jié)課著重分析科學(xué)家是如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，給你最大的啟發(fā)是什么？我們應(yīng)該學(xué)習(xí)伽利略哪些優(yōu)秀品質(zhì)？課外討論，并寫成一篇小作文.

五、教學(xué)反思

本節(jié)課主要由兩部分組成：對(duì)科學(xué)家的了解；對(duì)伽利略科學(xué)方法的學(xué)習(xí).這兩個(gè)方面主要是由學(xué)生通過查資料、預(yù)習(xí)，在老師的引導(dǎo)下，以學(xué)生為主體，進(jìn)行學(xué)習(xí)的.知識(shí)講授的同時(shí)，給學(xué)生介紹物理學(xué)家、講授物理學(xué)史.不僅讓他們了解物理學(xué)家的工作，物理科學(xué)的發(fā)展過程，更重要的是通過了解科學(xué)發(fā)展的曲折性，以此撼動(dòng)學(xué)生的心，讓他們從中獲得啟迪.