伽利略“沖淡”重力思想在自由落體中的運(yùn)用

摘 要：伽利略斜面實(shí)驗(yàn)中的“沖淡”重力思想巧妙地避開(kāi)了物體下落時(shí)間快導(dǎo)致相關(guān)物理量難以測(cè)量的難題，最后對(duì)斜面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理外推，最終得到自由落體運(yùn)動(dòng)是一種勻加速直線運(yùn)動(dòng)。這種思想其實(shí)同樣可以用于對(duì)于“物體下落快慢是否一致”的探究活動(dòng)當(dāng)中。

關(guān)鍵詞：伽利略；自由落體；沖淡重力

通常情況下，多數(shù)教師在處理自由落體運(yùn)動(dòng)這一節(jié)內(nèi)容時(shí)，都是先證明不同質(zhì)量的物體下落的快慢程度相同，然后才能引入自由落體運(yùn)動(dòng)。對(duì)于這個(gè)理論的證明，筆者認(rèn)為，比較妥當(dāng)?shù)奶幚矸绞绞窍纫C明重的物體比輕的物體下落得慢這種現(xiàn)象也是存在的。因?yàn)樵趯W(xué)生的潛意識(shí)中，包括在現(xiàn)實(shí)生活中，可能會(huì)存在重的物體比輕的物體下落得快。而從學(xué)生的前概念出發(fā)，更能激發(fā)學(xué)生的興趣。這一點(diǎn)很好證明，比如，比較半張紙團(tuán)和整張紙的下落，得到質(zhì)量輕的物體在某些情況反而比重的物體下落得快，學(xué)生看到這個(gè)實(shí)驗(yàn)后，會(huì)意識(shí)到是因?yàn)榭諝庾枇Φ脑?，?dǎo)致物體下落快慢存在差別。

但是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能證明亞里士多德關(guān)于重的物體下落得快是一個(gè)悖論，并不能直接證明在沒(méi)有空氣阻力的情況下，所有的物體下落的快慢相同。而牛頓管實(shí)驗(yàn)是證明這個(gè)結(jié)論最經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，牛頓管雖然現(xiàn)象明顯，證明過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)，但是牛頓管的缺點(diǎn)是不易操作，需要抽氣機(jī)將管內(nèi)空氣抽取干凈來(lái)對(duì)比空氣存在時(shí)物體下落的快慢。

一、伽利略“沖淡”重力思想

伽利略“沖淡”重力思想是源于伽利略著名的斜面實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)其實(shí)是為了證明自由落體是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，但是考慮到當(dāng)時(shí)對(duì)于“速度”“時(shí)間”的測(cè)量存在一些困難，伽利略想到了，既然豎直方向上的運(yùn)動(dòng)時(shí)間短不好測(cè)量，能否考慮將物體放在斜面上讓之下落？所以，通過(guò)在斜面上的測(cè)量，伽利略發(fā)現(xiàn)，小球在斜面上往下的運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)。隨著斜面傾角的增大，小球依然能保持勻加速直線運(yùn)動(dòng)，只是加速度的數(shù)值發(fā)生了變化。所以，伽利略進(jìn)行了合理外推，他認(rèn)為，斜面傾角90度是一個(gè)特殊的斜面，小球還是應(yīng)當(dāng)遵循之前的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那就是勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，伽利略的想法體現(xiàn)了“從量變到質(zhì)變”的過(guò)程，斜面很好地削弱了重力對(duì)小球下落的影響。這種“合理外推”的邏輯推理很符合高中生的認(rèn)知發(fā)展過(guò)程，筆者對(duì)于這種方法進(jìn)行了深入的思考，發(fā)現(xiàn)還可以用于對(duì)物體下落快慢的探討當(dāng)中，基于伽利略的“沖淡”重力，筆者將“沖淡”阻力的思想運(yùn)用到最初的下落快慢實(shí)驗(yàn)中來(lái)。

二、“沖淡”阻力思想在自由落體中的應(yīng)用

取6只試管，A組兩個(gè)試管內(nèi)部盛有洗潔精，B組兩個(gè)試管內(nèi)部盛有純凈水，C組兩個(gè)試管內(nèi)部沒(méi)有任何液體，我們認(rèn)為內(nèi)部盛有空氣。從試管內(nèi)部的物質(zhì)來(lái)看，A組的物質(zhì)最稠，B組次之，C組最稀。假如有物體分別在三組試管中下落，那么，A組受到的阻力將最大，B組次之，C組最小。這組實(shí)驗(yàn)器材達(dá)到了“沖淡”阻力的目的。現(xiàn)在準(zhǔn)備一個(gè)實(shí)心鐵球和橡膠球，要求鐵球比橡膠球質(zhì)量大，依次在三組試管中釋放小球，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

我們可以看到，在三組試管中，小球的下落情況差別很大，如圖所示。A組中，明顯鐵球下落的比較快，B組中，雖然依然是鐵球下落得比較快，但是相對(duì)于A而言，鐵球和橡膠球的差距在減少，而在C組中，鐵球和橡膠球下落幾乎一致。經(jīng)過(guò)分析，我們可以得出，隨著阻力的減小，不同質(zhì)量的小球下落快慢程度逐漸接近。就像伽利略對(duì)斜面進(jìn)行合理外推一樣，我們可以同樣推出，假如是真空，不同質(zhì)量的物體下落快慢程度相同。

三、總結(jié)和反思

在本實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樵嚬?、洗潔精、純凈水、鐵球、橡膠球在生活中容易獲得，學(xué)生自己操作的可能性很大。因此，本實(shí)驗(yàn)是很典型的非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)。非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)是指主要利用學(xué)生熟悉的生活易得物品、材料、器具以及兒童玩具等開(kāi)發(fā)進(jìn)行的一類(lèi)體現(xiàn)自創(chuàng)性、體驗(yàn)性、趣味性、簡(jiǎn)易性、生活化的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)這一概念的提出主要是為了彌補(bǔ)常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的不足，希望能夠?qū)⒊Ｒ?guī)物理實(shí)驗(yàn)和非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，最大限度地發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中的功能。

非常規(guī)實(shí)驗(yàn)有著環(huán)保、節(jié)約、易得、極簡(jiǎn)、創(chuàng)新等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，這些實(shí)驗(yàn)器材的可替代性也很高，例如，將鐵球換成玻璃球，將洗潔精換成食用油，將試管換成礦泉水瓶等，因?yàn)檫x用了生活中常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)器材，會(huì)讓學(xué)生有一種親切感，所以，這種非常規(guī)實(shí)驗(yàn)也是我們所倡導(dǎo)的。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)在課堂中的安排，筆者認(rèn)為需要做一些鋪墊。首先要讓學(xué)生意識(shí)到“阻力”是影響物體下落快慢的重要因素。我們可以將同一張紙折成紙團(tuán)和紙張下落對(duì)比試驗(yàn)，讓學(xué)生意識(shí)到，質(zhì)量相同的紙團(tuán)和紙張下落快慢不同是因?yàn)榧垙埵艿降目諝庾枇Ρ容^大引起的。然后再去做三組阻力不同的實(shí)驗(yàn)，探究阻力的變化如何影響物體下落的快慢。最終得到，沒(méi)有阻力的時(shí)候，不同質(zhì)量的物體下落快慢相同。

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編輯 王團(tuán)蘭