尊重物理學史 感悟邏輯力量
——以“自由落體運動”教學為例

李康康

(安徽省宿城第一中學，安徽 宿州 234000)

物理學史不僅描述了物理學中的概念、規律和科學研究方法發展的脈絡，更加揭示了物理學觀念、方法發生與發展的內在原因和規律，是一部研究人類對自然界中各種物理現象的認識史。[1-2]翻開物理學的發展史，可以發現這不僅是人類不斷思考、研究方法不斷進步、規律不斷完善的歷史，更展現了無數科學家探索自然、獲得真知的過程。

《普通高中物理課程標準(2017年版)》明確了“自由落體運動”的內容要求：“通過實驗，認識自由落體運動規律。結合物理學史的相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用。”由此可知，自由落體運動規律的習得離不開對物理學史的研究，這就要求教師在教學過程中不僅要關心知識的“去脈”，更要關心知識的“來龍”，不僅要把精力放在知識的應用上，更要注重知識的構建過程，使得概念的建構與規律的探尋更加符合學生的認知，更加符合物理的學科邏輯。

筆者在教學中貫徹科學史、哲學和社會學(HPS)教育理念，引領學生一起沿著科學家的探索足跡還原歷史過程，創設情境，再現自由落體運動規律的發現過程，實現進階學習，感受科學家嚴謹的科學態度，逐步樹立科學的世界觀，提升學生的物理學科核心素養。

1 感受自然之美，明了亞里士多德錯在哪里

“一葉落知天下秋”，通過播放樹葉、雨滴的下落視頻，讓學生感受自然界中物體下落的美景，引導學生去探究生活中物體的下落運動，從而讓學生形成一種共鳴：人類就是通過對自然現象的研究，實現了科學的不斷進步。

最早研究落體運動的是亞里士多德，亞里士多德是古希臘哲學家、科學家。他通過對落體運動的大量觀察，歸納得出人們熟知的落體理論：重的物體下落快，輕的物體下落慢。教材中在引入本節內容時通過紙片揉成紙團的對比實驗，引起學生對此理論的質疑。學生由于對亞里士多德的研究背景不甚明了，容易對亞里士多德產生誤解。而事實上亞里士多德在《物理學》第4卷第8章中寫道：“我們看見一個已知重物或物體比另一個快有兩個原因：或者由于穿過的介質不同(如在水中、土中或空氣中)，或者其他情況相同，只是由于各種運動物體的重量或輕重不同。”在同一章中，他說明“其他情況相同”是指“形狀相同”即“分開介質的因素相同”。可見亞里士多德關于落體的說法是以“物體形狀相同和介質相同”為前提條件的。[3]本節課基于尊重物理學史的原則，在質疑亞里士多德理論正確性的時候采用了新的實驗。與此同時，讓同學們準備一張紙片和同樣大小的一本書，將紙片和書舉到同一高度同時靜止釋放，觀察到符合亞里士多德落體理論的現象：書下落得快，紙片下落得慢。再讓同學們把紙片疊放在書的上面，第二次進行實驗，可以觀察到以下現象：居然是書和紙片下落一樣快，這樣一個結果和很多同學的猜想是不一樣的，形成了一個出乎意料的矛盾點，激發了學生的認知沖突。此時，教師進一步點明矛盾：把紙片放在書的上面，紙片下落變得和書一樣快，難道說紙片變重了嗎？學生思考片刻：沒有！由此，我們在“物體形狀相同和介質相同”的前提條件下，反駁了亞里士多德落體理論。

2 減小阻力，邏輯推理的力量

歷史上，最早對亞里士多德落體理論提出質疑的是伽利略。伽利略利用被稱為“歸謬法”的邏輯推理方法，揭示了亞里士多德落體理論的自相矛盾，從而證明這個理論是錯誤的。伽利略經過仔細分析后認為，物體下落只能有一種可能性：重的物體與輕的物體下落得同樣快。

當時伽利略已經意識到生活中重物和輕物下落快慢不一樣是由于阻力的影響，他需要論證在沒有阻力的情況下，重的物體和輕的物體下落一樣快。受到當時科學水平和儀器設備的限制，伽利略沒有辦法用實驗手段得到在無阻力情況下的落體運動，于是伽利略采用了一種很巧妙的方法，借助邏輯推理的力量減小阻力，設想無阻力的情景，圖1為伽利略1638年出版的著作《關于兩門新科學的對話》中的敘述。

圖1

為了讓學生真切地感受伽利略邏輯思維的力量，在課堂上可以用實驗再現他的思路。取體積相同的玻璃球和鋼球，分別在洗衣液、水、空氣三種介質中同時由靜止釋放(圖2)，對比觀察，討論得出結論:在三次實驗中，使用三種介質，阻力依次減小，物體的下落依次變快，兩物體下落的差距依次減小，進而引導學生合理外推到沒有空氣阻力時的情況。此時學生自然而然地得出結論：物體將下落得一樣快。那么，結論是否正確呢？

圖2

教師拿出牛頓管，將管內抽成真空，銅片和羽毛的下落一樣快！經過這一教學環節，學生由衷地對伽利略感到敬佩，在技術條件不允許的情況下，伽利略采用了實驗加邏輯外推的方法得出正確結論，讓學生感受到邏輯推理的力量。

3 “沖淡”重力，世界十大最美物理實驗

科學探索從來都不是一帆風順的，在研究落體運動的過程中伽利略遇到了很多困難，他迎難而上，運用巧妙的方法一一解決。伽利略針對自由落體運動,基于“自然界是簡潔、和諧”的信念，大膽提出猜想：速度v與時間t成正比。受到當時技術的限制，無法直接測定瞬時速度，所以也就無法直接得到速度的變化規律，但是伽利略通過數學運算推出結論：如果物體的速度v與時間t成正比，那么落體發生的位移x就與t2成正比。

當時伽利略采用的計時工具是水鐘，這樣的計時工具無法準確測量自由落體運動所用的短暫時間。在這種背景下，伽利略想到用“沖淡重力”的方法延長運動時間，制作了一個長斜面，讓銅球沿著斜面滾下，就可以延長銅球運動的時間。

課堂教學中，筆者利用一段貼合度很高的視頻還原了伽利略所做的實驗(圖3)，在播放視頻之后，引導學生參與活動，根據節拍器去記錄相等的時間間隔內小球發生的位移，一起去處理數據，探究位移與時間的關系，記錄數據如表1所示。根據數據學生發現：位移x與t2成正比。

圖3

表1

伽利略做了上百次的實驗，證實小球沿斜面滾下的運動確實是勻加速直線運動，在當時的條件下，在實驗的方案設計方面作了很多創新，這個實驗被譽為“世界十大最美物理實驗”之一。

4 合理外推，發現自由落體運動規律

斜面實驗取得了成功，但如何由斜面實驗的結論推理得出落體運動的規律呢？伽利略又勇敢地向前走了一步，在斜面實驗的基礎上進行合理的外推(圖4)：斜面傾角逐漸增大，小球仍然做勻加速直線運動，當斜面的傾角增大到90°，這時小球的運動就是自由落體運動了。伽利略認為這時小球也會做勻加速直線運動，且所有物體下落時的加速度都是一樣的。伽利略基于斜面實驗的結論進行外推，總結出了自由落體運動規律。

圖4

5 運用現代科學手段進行驗證，感受時代的進步

隨著科技的發展，人們可以利用先進的現代設備去驗證自由落體運動規律。筆者在課堂上用手機拍攝一段物體下落的視頻，借助Tracker軟件分析處理數據(圖5)，通過擬合實驗數據得出結論(圖6)，驗證了伽利略的研究結論：落體運動的位移與下落時間的平方成正比。

圖5

圖6

5 結語

伽利略是一位偉大的科學家，被后人稱為“現代科學之父”。伽利略的成功之處，不僅在于找到了正確的落體運動規律，更重要的在于創立了把科學受控實驗與數學、邏輯推理結合起來的科學研究方法，愛因斯坦對此進行了高度的評價：“伽利略的發現以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。”

筆者與學生一起重走科學家探究自由落體運動規律的道路，在探究中提高科學思維和科學探究能力，落實物理學科核心素養的培養目標。