談自由落體運動的教學

張儉

《高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中有“注重科學探究”的理念和“經歷基本科學探究過程，具有初步的科學探究能力”的目標，更加重視了科學探究的教育作用，強調了過程和方法的學習。

物理學在長期的發展過程中形成的科學方法，不僅對物理學的研究而且對整個自然科學甚至社會科學的研究都有較大影響。進行物理科學方法的教育，也就是常說的培養學生具有一副“物理”的頭腦，懂得在物理科學中，人們是如何思考，如何發現和研究、解決各種問題的。在課堂教學中，應該盡可能重現人們對物理世界的認識過程，通過對生活實際中物理現象的回憶、通過課堂上的演示實驗（包括互動實驗）、通過資料的說明，把實驗、觀察和理論思維有機地結合起來。引導學生去看、去做、去想，使他們在長期的潛移默化的過程中，受到科學方法的鍛煉和科學思想的熏陶，養成良好的科學品質。

本課的地位：自由落體運動的教學在高中物理教學中具有特殊的地位，雖然在知識上它是作為勻變速直線運動教學之后的一個特例，但是在整個高一年級教學的安排上，由于勻變速運動的教學重點在于規律的應用，自由落體運動的新課教學則要向學生介紹近代物理的先驅伽利略是如何進行研究的——這是向高中學生首次介紹伽利略的物理學研究方法的教育，它在整個高中物理教學中具有特殊重要的意義。

本課的教學設計要解決兩個問題：一是怎樣引入課題和分析論證課題;二是介紹伽利略在物理研究方法上的特點以及自由落體運動規律。這兩個問題是統一的，前者是教學的組織，即課程流程的形式;后者是課題的內容，即課程資源的配置。這兩者的結合便是本課教學的任務。

一、課題分析及教學設計

自由落體運動是學生接觸到的一種重要的理想條件下的運動。在一般的教學中，教師的講授往往停留在批判亞里斯多德的錯誤論斷，證明伽利略的觀點，學生也往往滿足于獲得“輕、重物體下落得一樣快”這樣一個結論。顯然，從方法教育的角度來說，這樣的教學給學生的知識是很膚淺的。

事實上落體運動受多種多樣因素（物體輕重和形狀、下落速度等等）的影響，因而在本課的學習中，應使學生懂得如何通過對影響落體運動的各種因素的分析，把運動的條件理想化，正確地提出問題——研究真空條件下的落體運動才是教學的重心;還應使學生懂得在實際的研究中，如何創造近似于理想化的條件，從而找到自由落體的運動規律。

二、教學過程

（一）課題的引入

敘述日常生活中的落體現象，比如樹葉的飄落、投籃的籃球等，對這些的軌跡作一些簡單的描述。

演示：1. 光盤從空中由靜止掉下來;

2. 與光盤表面等大的圓紙片從空中飄下。

與學生分析得出落體中最簡單的運動軌跡也應是直線。物體之所以會下落，是由于受到了重力的作用，落體運動是一種很有代表性的變速運動。

提問：（1） 落體運動具有怎樣的運動性質？

（2） 這種運動是什么性質的運動呢？

比較光盤和紙片下落的快慢，根據日常生活經驗，可以得出“重的物體下落快”的結論。

演示：光盤與光盤表面等大的圓紙片在同樣高度一起下落。

亞里士多德研究的方法是觀察與思考，他認為人類只要憑借觀察自然現象，再加上大腦的思考便足以建立起宇宙間萬物變化的規律。在其后兩千多年的時間里，人們一直信奉他的這種看法。那么他的看法是否正確呢？

（2） 對“重的物體下落快”的結論的質疑

師生互動演示：請同學們重復光盤和圓紙片下落的實驗，比較：

1. 圓紙片與同類圓紙片捏成的紙團在同樣高度一起下落;

2. 光盤與光盤表面等大的圓紙片捏成的紙團在同樣高度一起下落;

3. 比光盤重的書和光盤在同樣高度一起下落;

4. 圓紙片放光盤下一起下落;

5. 圓紙片放光盤上一起下落

描述實驗中出現的現象：

（1） 的現象是紙團比圓紙片下落得快;

（2） 的現象是兩者幾乎同時落地;

（3）的現象是比光盤重的書本比光盤后落地，說明“重的物體下落快”的結論不正確。

提問：上述現象是什么原因造成的？（由于之前的認知基礎，學生會回答下落快慢不同是由于空氣阻力造成的）

[注：在這里借學生的回答可讓學生感受要獲得真理，就不能盲從任何以前的權威，由此體現出伽利略質疑的艱難和實驗的重要。]

其實有傳說伽利略在比薩斜塔上做過實驗，結果是大、小鐵球同時落地。現有資料顯示，伽利略對落體運動的研究是另有它法，先且不論伽利略的方法如何，至少對我們來說有幾點是很有啟發的：

1. 伽利略敢于向亞里士多德這樣的大權威挑戰;

2. 伽利略懂得用實驗來檢驗自己的推論并且用事實來說服和自己持不同觀點的人;

3. 伽利略對亞里士多德的“重物體比輕物體下落得快”的說法有一段很精彩的反駁，大意是：將輕重不同的兩個物體都綁在一起，從一個角度看，它們的總重量比原來較重的那個物體還要大，按照亞里士多德的觀點，它們應該下落得比原來較重的物體還要快些;但從另一個角度看，由于輕、重物體之間相互牽扯，則它們一起下落應該比原來較輕的物體快些，而又應該比原來較重的物體慢些。這說明亞里士多德的觀點本身存在矛盾。

[注：請注意，這番辯論只證明了亞里士多德觀點的內在矛盾，而沒有證明輕、重物體下落得一樣快。]

（二）運動的分析

1. 正確地提出問題，研究真空條件下落體的加速度

第一個問題：我們應該在什么條件下研究不同物體的下落運動？

思考：怎樣才能使紙片下落變快？

把圓紙片捏成紙團（之前已做過），或把圓紙片放置在光盤的下面，或紙片緊貼在光盤的上面（這個方式的實驗現象相當震撼），看到的現象是圓紙片隨光盤下落，顯然圓紙片下落變快。E227C040-01ED-487B-B6E2-172084992B78

總結：從剛才的實驗看，物體下落的快慢和輕重（質量）的關系比較復雜，既不能說越重越快，也不能說越輕越快;重量相同的兩個物體，下落快慢也可能不同。需要換一個視角來研究這個問題：除了物體受到的重力以外，還需考慮其它因素。

再提問：這個因素是什么？

這個因素是：空氣阻力。

由于影響空氣阻力大小的因素太復雜（如物體的形狀、速度的大小、空氣的密度等），所以我們最好先研究物體在沒有空氣阻力的條件下的下落規律。

給出“自由落體”的定義：物體在只有重力作用下從靜止開始下落的運動叫自由落體運動。“自由落體”在地球大氣層里只能是一種理想的運動。但當空氣阻力不太大時，實際的落體運動往往也可以近似地看作是“自由落體”運動。

[注：在科學研究中，通過對紛繁復雜的現象的分析，理出頭緒，正確地提出問題，是非常關鍵的。從研究“輕、重物體哪個下落得快”到研究“物體在沒有空氣阻力條件下的下落運動”是一個飛躍。]

第二個問題：什么是物體下落的“快”和“慢”？

這可以是指物體在一定時間內下落距離的長短，或指物體下落一定距離所需時間的長短。這里表述的是“平均速度”，而落體運動本身是一種變速運動，因此比較兩個落體速度的大小也是無意義的。

提問：對一種變速運動來說，最能反映它的運動特點的，是什么物理量呢？

這個量是加速度。因此，我們做了以下的猜想：

（1） 不同物體自由落體是不是具有相同的加速度？

（2） 自由落體的加速度是多少？

就第一個問題而言，由式y=at2/2，我們通過比較各自由落體下落相同距離所需時間是否相同，來判斷它們的加速度是否相同，至于自由落體加速度的大小，也容易通過實驗來測定。

[注：這一段從人們的直觀印象“快”“慢”，上升為研究加速度的大小，從而使思維更加嚴密。最后由式y=at2/2仍歸結為比較各物體下落相同距離所需時間的長短，但顯然思維的深度已經不同了。]

2. 實驗檢驗

現在讓我們通過實驗來具體地研究一下自由落體運動。

提問：怎樣才能使一個物體作自由落體運動呢？

物體不受空氣阻力。

當然，用抽氣機并不能把實驗裝置里的空氣完全抽盡。但只要空氣足夠稀薄，空氣阻力比物體受到的重力小很多，則物體的下落運動就非常接近自由落體運動了。那么我們是否可以從相反的方向想一下，如果物體的密度很大（因此體積相對來說很小），而且它的形狀截面很小，則即使不把空氣搞得很稀薄，空氣阻力與重力比較還是可以忽略，而物體的下落運動仍很接近自由落體運動，就像比薩斜塔實驗中的兩個球一樣。

演示：牛頓管實驗

讓學生觀察管與外界相通時，羽毛、軟木塞、銅片的運動，再將牛頓管抽成真空，觀察羽毛、軟木塞、銅片在無空氣阻力時的落體運動。抽真空時，羽毛、銅片和軟木塞同時落到管的底部。

[注：強烈的反差給學生的心理帶來了極大的震撼，學生情緒激昂，為自己的假設得到驗證而感到興奮，同時為物理實驗的魅力所折服。]

介紹：1971年，美國宇航員斯科特在月球表面上，將一把鐵錘和一片羽毛從同一高處同時放下，結果他觀察到兩個物體同時落“月”。

[注：由此而產生的對物理學科的情感是用其它方法無法獲得的，這種情感就會化作學好物理的堅定信念。]

總結：在空氣阻力可忽略的條件下，質量不同的物體下落的加速度相同。這個加速度又可稱為重力加速度。

[注：使學生理解控制條件進行實驗研究是物理研究中的一種基本思想，同時理解理論上的理想條件與實際研究中的近似條件之間的辯證關系。]

（三）規律的應用

師生互動小實驗：測量“反應時間”。

1. 器材：長30cm的塑料尺。

2. 步驟：請一位同學用兩個手指捏住尺子頂端，另一位同學用一只手在尺子底部做握住尺子的準備，但手的任何部位都不要碰到尺子。當看到放手時，另一位同學立即握住尺子。測量出尺子從下落到被握住的距離h。

3. 成品：根據自由落體的公式折算，在尺子上寫上反應時間的數值，就是一把測量反應時間的尺子。

[注：把測量反應時間改變為測量物體下落的高度，把較難測量的量改變為把較易測量的量，這是對物理量的一種間接測量，是測量變換的物理思想。]

三、教學說明

愛因斯坦有句名言：“對真理的探求比對真理的占有更可貴”。本節課主要考慮了兩個問題：一是怎樣提出課題并且論證課題，也就是如何組織教學的問題;二是介紹自由落體運動規律，以及伽利略在物理研究方法上的特點，即落實教學內容本身。在教學過程中，采用實驗探究的思路，從身邊的現象入手分析，通過實驗創設思維情境，貫穿科學方法這條主線，在實驗、思考、探究、再實驗、再思考、再探究……的一系列活動中，使學生對自由落體運動的認識由“前概念”逐步升華為科學的理論和規律。同時在教學的實施中尤其重視調動學生學習的積極性，充分發揮學生的主體作用。E227C040-01ED-487B-B6E2-172084992B78