以“自由落体运动”教学为例让学生学会科学的思考

以“自由落体运动”教学为例让学生学会科学的思考

仓华欠 

海南州第一民族高级中学   813000

摘  要：以“自由落体运动”为例，从“为什么”开始引导学生科学地思考。

关键词：高中物理；科学思维；自由落体运动

    教学的目的是让学生面对真实问题时能够进行知识的迁移，创造性地解决真实问题，这就需要我们在日常教学中着力于培养学生的科学思维，引导学生像专家一样思考。培养学生的科学思维，需要引导学生从“为什么”“是什么”“怎么做”这三个方面积极思考。下面以“自由落体运动”一节为例，详细地阐述如何让学生科学地思考的具体做法。

“为什么”的问题：亚里士多德的错误观点为什么能够影响人类两千多年。

    教师的常规教学设计是这样的：由“石块与树叶在同一高度同时由静止释放，石块下落得比树叶快”这一现象，得出“重的物体比轻的物体下落得快”这个结论，然后指出亚里士多德当年就是运用“观察+思辨”的方式得出了这样的结论。

    这种教学设计会让学生对亚里士多德个人产生极大的误解。因为很多学生不费吹灰之力就能设计并做出类似下列这样的实验：将一张纸片与一块橡皮在同一高度同时由静止释放，橡皮下落得快；将该纸片揉成一个纸团再与刚才这块橡皮在同一高度同时由静止释放，两者几乎同时落地，从而说明“重的物体不一定比轻的物体下落得快”。难道亚里士多德就没有想到过类似实验中的情境，难道这两千多年来也没有一个人做过类似的实验，难道前辈贤人就没有我们现在的学生这么聪明？答案是否定的。那么，到底是什么原因导致人们信奉亚里士多德的错误观点长达近2000年？教师如果不揭示这一层原因，教出来的学生就会误解亚里士多德，进而小瞧了这位古希腊科学家。亚里士多德的观点能够延续近2000年，撇开宗教统治需要的原因外，尤为重要的一点是亚里士多德讲的“重的物体下落得快”是有条件的。他针对的是没有介质作用下自由落体运动的快慢问题，即阐述的是真空环境中物体下落快慢的问题，根本不是指有空气阻力环境下轻重物体下落快慢的问题。这正是亚里士多德的伟大之处---他并非简单地归纳日常所观察到的现象，而是将日常观察到的现象进行抽象，抽象为更高层次的落体理论。由于在当时那个年代及之后的两千多年直至伽利略时代，人们一直都没有制造出能够抽成真空的抽气装置，自然无法验证“重的物体是否比轻的物体下落得快”这个结论了。另外，纸团与橡皮几乎同时落地并不能严格地说明两者一定同时落地，或许在不那么高的地方掉下，两者真的差那么一点点先后的时间间隔而肉眼又难以辨别。伽利略在仪器缺乏的情况下巧妙地运用悖论法推翻了亚里士多德的观点，这是伽利略的高明之处。他在无法用实验直接验证的情况下率先用逻辑推理的方法澄清了自由落体运动快慢的问题，正是需要我们引导学生去体验科学思维方式的价值所在。

     据此，我们可以进行如下的教学设计。

     演示实验  将一张白纸与一块橡皮同时从同一高度由静止释放，结果橡皮下落得快。

     教师提问：这个实验表明，重的物体本比轻的物体下落得快。是否在任何情况下重的物体都比轻的物体下落得快？

     学生提出不同的意见并演示实验。有的学生将白纸揉成一团，再与橡皮同时从同一高度由静止释放，结果两者几乎同时下落，说明“重的物体不一定比轻的物体下落得快”。

教师提问：看来物体下落的快慢并不由物体的轻重决定，那么，到底是什么影响了物体下落的快慢呢？

学生回答：空气阻力。

教师设问  两千多年前亚里士多德就提出，万物由土、水、空气、火四种元素组成，四种元素各有自己的自然位置；重物下落返回其自然位置是物体的自然属性；重物趋向自然位置的能力要比轻物强819。因此，在没有空气阻力的环境中，重的物体比轻的物体下落得更快。对此你有什么看法？

设计意图  让学生真正认识到亚里士多德提出观点的依据，并非“简单的观察+理由不充分”的总结，也才会让学生对后续伽利略通过一个简单的逻辑推理解决了困扰人类两千多年来的困惑表示深深地折服。否则，学生会认为“既然较轻的纸团与较重的橡皮几乎同时下落就能说明重的物体不一定下落得快”，要推翻“重的物体下落快”这个结论，为什么还要来个逻辑推理？

随后，教师引导学生经历落体悖论的推理过程。

教师说明前提条件：如果亚里士多德的落体理论是正确的，即重的物体下落得快，那么，令重的物体下落的速度为8，轻的物体下落的速度为10。

教师提问：如果将轻重两个物体绑在一起，捆绑后物体的速度大小有什么特点？

学生推理1 两个物体绑在一起后，物体变得更重，物体下落的速度应该更快要大于8。

学生推理2 两个物体绑在一起后，轻的物体下落得慢，要往上拉重的物体，势必将重物的下落拖慢了。捆绑后物体的速度就比原来重的物体下落得慢一点，速度要小于8。而轻的物体被重的物体往下拉，下落的速度就变大了，下落速度要大于4。因此，捆绑后物体的下落速度应大于4且小于8。

学生结论 

根据相同的前提条件得出两个不同的结论，可见假设是错误的。在没有空气阻力的情况下，物体下落的快慢与物体的轻重无关。

接着，教师演示牛顿管实验：

（1）有空气阻力时，铜片下落得比羽毛下落得快；

（2）掉牛顿管内的空气后，铜片与羽毛下落得一样快。

教师播放视频：

在月球表面的真空环境中，宇航员将一把锤子与一片羽毛同时从同一高度由静止释放，结果同时落地。

设计意图  让学生经历科学思维的过程：在运用逻辑推理推翻亚里士多德的观点的基础上，利用现代设备运用实验的方法弥补近2000年无法用实验验证的缺陷。教师通过牛顿管实验与播放的两个实验视频，用事实论证了“当空气阻力与物体重力相比不可忽略时，空气阻力会影响物体下落的快慢程度；当空气阻力与物体重力相比可忽略时或在接近真空的环境中，重物与轻物下落得一样快”。