利用物理學史提升高中生探究能力的實踐研究
——以《伽利略對自由落體運動的研究》教學設(shè)計為例

婁高華

(甘肅省臨夏回民中學 731100)

一、預習檢查、總結(jié)疑惑

(一)教師提問：我們在上一節(jié)課已經(jīng)學習了自由落體運動知道：

1.定義？回答略

2.實質(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.

二、教師利用物理學史情景引入、展示目標

我們用手拿一個小球和一張紙片，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，古希臘偉大的思想家、哲學家亞里士多德(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，在意大利的比薩斜塔上，伽利略做了著名的兩個球同時落地的實驗.兩個輕重不同的小球同時落地的聲音，是那樣的清脆美妙，又是那樣的發(fā)聾振聵！它動搖了人們頭腦中的舊觀念，開創(chuàng)了實驗和科學推理之先河，將近代物理學以至近代科學推上了歷史的舞臺.今天這節(jié)課我們就一起來經(jīng)歷伽利略對自由落體運動的研究過程，領(lǐng)悟這位大師的科學精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鑒.

三、教師介紹物理學史精講點播—伽利略對自由落體運動的研究

教師介紹物理學史：綿延兩千年的錯誤

亞里士多德的觀點：物體越重，下落越快.公元前，人們對物體下落的研究很少，憑著觀察認為重的物體比輕的物體下落得快.當時，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)認為“物體下落的速度與重力成正比”.這一觀點正好應和了人們潛意識里的想法；同時，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一直堅持這一觀點，這一觀點一直延續(xù)了2 000多年，從沒有人對它提出異議.為什么會有錯誤的認識呢？錯誤認識的根源在于不注意探索事物的本質(zhì)，思考不求甚解.

教師要求學生閱讀物理學史：16世紀末，意大利比薩大學的青年學者伽利略(Galileo Galilei，1564～1642)對亞里士多德的論斷表示了懷疑.后來，他在1638年出版的《兩種新科學的對話》一書中對此作出了評論.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，當我們把兩塊石頭捆在一起時，大石頭會被小石頭拖著而減慢，結(jié)果整個系統(tǒng)的下落速度應該小于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，伽利略認為只有一種可能性：重物與輕物應該下落得同樣快.(傳說伽利略在比薩斜塔上做過落體實驗，但后來又被嚴謹?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念碑)

教師介紹物理學史：伽利略認為，自由落體是一種最簡單的變速運動.他設(shè)想，最簡單的變速運動的速度應該是均勻變化的.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時間來說是均勻的，即經(jīng)過相等的時間，速度的變化相等；另一種是速度的變化對位移來說是均勻的，即經(jīng)過相等的位移，速度的變化相等.伽利略假設(shè)第一種方式最簡單，并把這種運動叫做勻變速運動.實驗驗證是檢驗理論正確與否的唯一標準.任何結(jié)論和猜想都必須經(jīng)過實驗驗證，否則不成理論.猜想或假說只有通過驗證才會成為理論.所謂實驗驗證就是任何人，在理論條件下去操作都能到得實驗結(jié)果，它具有任意性，但不是無條件的，實驗是在一定條件下的驗證，而與實際有區(qū)別.

學生閱讀物理學史：伽利略在《兩種新科學的對話》中說：“用一塊木料制成長約12庫比特、寬半庫比特、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).取一個堅硬、光滑并且很圓的銅球，放在槽中滾動.將這個木槽的一端抬高一到二庫比特，使槽傾斜.就像我要講的那樣把球放在槽頂沿槽滾下，記錄下降的時間.實驗要重復幾次，以便使測得的時間準確到兩次測定的結(jié)果相差不超過一次脈搏的十分之一，進行這樣的操作，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的四分之一，測定滾下的時間，我們發(fā)現(xiàn)它準確地等于前者的一半.下一步，我們用另一些距離進行試驗，把全長用的時間與全長的二分之一、三分之二、四分之三，或者其他任何分數(shù)所用的時間相比較，像這樣的實驗，我們重復了整整一百次，結(jié)果總是經(jīng)過的距離與時間的平方成比例，并且在各種不同坡度下進行實驗，結(jié)果也都如此……”

教師要求學生討論與交流：感受伽利略的探究過程，體會其科學方法

教師提出問題：物體做自由落體運動的速度很快，在當時的實驗條件下，是很難測量其位移和相應的時間，有什么方法可以使物體的速度可以慢一點又能研究勻變速直線運動的？

讓小球在傾斜的軌道上滾下，傾角不要太大可以嗎？

教師介紹物理學史：當時伽利略就是用這個方法.他設(shè)計一個斜面實驗，使物體的運動速度變慢，解決了測量的難題.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，用自制的水鐘測量時間，探究一個光滑黃銅小球沿傾斜直槽滑下時的運動情況.我們也可以模擬這個四百多年前的實驗，感受科學家的研究方法.

教師并進行以上實驗演示.

教師提出問題：伽利略在當時有限的實驗條件研究出初速度為零的勻加速直線運動中位移和時間的關(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間和位移進行研究呢？

教師繼續(xù)實驗：略

教師總結(jié)科學探究過程：對現(xiàn)象一般觀察—提出猜想—運用邏輯推理—實驗對推理驗證-對猜想進行修證(補充)—推廣應用.伽利略的科學思想方法的核心是把實驗和邏輯推理(包括數(shù)學推理)和諧地結(jié)合起來，從而有力地推進了人類科學認識的發(fā)展.

四、布置作業(yè)

這節(jié)課著重分析科學家是如何設(shè)計實驗，給你最大的啟發(fā)是什么？我們應該學習伽利略哪些優(yōu)秀品質(zhì)？課外討論，并寫成一篇小作文.

五、教學反思

本節(jié)課主要由兩部分組成：對科學家的了解；對伽利略科學方法的學習.這兩個方面主要是由學生通過查資料、預習，在老師的引導下，以學生為主體，進行學習的.知識講授的同時，給學生介紹物理學家、講授物理學史.不僅讓他們了解物理學家的工作，物理科學的發(fā)展過程，更重要的是通過了解科學發(fā)展的曲折性，以此撼動學生的心，讓他們從中獲得啟迪.