划分探究过程，落实研究方法——伽利略对自由落体运动的研究

划分探究过程，落实研究方法

——伽利略对自由落体运动的研究

吴琛怡

（宁波市北仑区顾国和外国语学校 浙江 宁波 315800）

摘要 以2021版人教社高中物理必修一第二章第4节“自由落体运动”中科学漫步专栏内容为源，依据科学研究方法，将伽利略对自由落体运动的研究细化为推翻亚里士多德和建立自己理论两个过程，落实物理发展历史教育及科学态度的培养。

关键词：自由落体；伽利略；科学研究方法

一、教学分析

关于伽利略对自由落体运动的研究，目前主流的教育方式是将整个观念发展史总结为一个科学研究过程。而这样的处理方式对伽利略在研究过程中遇到的三个困难的引出是生硬的，直接告诉学生伽利略在研究过程中遇到了这些困难，会导致学生很难在物理学史学习中共情物理学家，无法提升学生物理核心素养。对于物理学史的教学，要做到引导学生不仅仅是对物理知识的理解，更是通过对这些物理学家的介绍和物理学史的发展介绍，让学生明白物理学科的历史。

二、教学目标

物理观念：

初步了解近代实验科学产生的背景，认识实验对物理学发展的推动作用；

了解两位伟大科学家的生平主要经历；

知道伽利略对自由落体运动的研究方法。

物理思维：

学会自己查找资料，学习物理学史的方法；

通过伽利略对自由落体现象的研究，体验科学研究方法。

科学探究：

体验科学探究的过程，观察现象，逻辑归纳，实践检验，提取方法，形成理论。

科学态度与责任：

学习科学家对知识敢于质疑的勇气和科学研究的执着劲胜；

通过对亚里士多德和伽利略的了解，认识到科学的探索是一个漫长的过程，需要几代人不懈的努力；

从科学研究过程中体验探索自然规律的艰辛和喜悦，提高学生对物理学的兴趣；

三、教学要点

3.1 了解伽利略

伽利略分为三方面介绍：a.伟大的数学家、物理学家和天文学家；b.被称为近代物理学之父。c.伽利略在物理思想和方法上的巨大贡献：提出科学问题的方式，强调科学实验和观察的重要性和物理学中的理想实验方法的创立。

伽利略对自由落体的研究应该分几步走？怎么走？引导学生分析，理清思路。一个概念、理论的提出应该要分两步走。对于伽利略而言，他应该先推翻亚里士多德的观念，随后才是自己对自由落体规律的探究。

3.2 推翻亚里士多德

伽利略通过对现实中自由落体现象的观察，发现不是所有时候都是重的物体下落的比较快，根据这个现实依据，提出了大胆猜想：物体下落的快慢与质量无关。提出假设后第三步伽利略进行了数学逻辑推理。伽利略设想比较两个组合体的下落速度：a. 重10磅的大绿球和重1磅的小绿球用一根不计重力的细绳连接的结合体；b.重10磅的大红球和重1磅的小红球的粘连体。让两组球在同一高度下落。根据亚里士多德的理论，a：质量小的小绿球下落速度慢，质量大的大绿球下落快，两者连接在一起，大绿球的速度被小绿球拖慢。b：红色粘连体质量变大，速度要变大，因此b整体的速度要大于a整体的速度。但这两者的总质量是一样的，它们俩下落的速度应该相同。推理结果陷入了相互矛盾之中，伽利略从数学逻辑推理上证明了亚里士多德的错误。

伽利略在数学上推翻了亚里士多德的观点后，设计了著名的“比萨斜塔实验”。伽利略从比萨斜塔上同时以初速度为0的状况，下抛一个100磅和1磅的球，发现两者几乎同时落地。

最后引导学生总结伽利略推翻亚里士多德的整个过程的步骤：发现问题、提出假设、数学推理、实验验证、合理外推。向学生说明科学研究方法在我们物理学中的重要性，培养严谨的科学态度。

3.3 研究自由落体运动的规律

伽利略推翻了亚里士多德的观点以后，要建立自己的自由落体运动的规律理论。根据第一阶段的学习，提问学生伽利略要建立自己的理论要分几步走？学生根据刚总结的科学研究方法，会较快地理解研究步骤。

第一步，先要发现问题，很容易理解对伽利略而言，他的问题就是：既然物体自由下落的速度与质量无关，那它到底遵循怎样的规律呢？

第二步，伽利略认为自然界的运动一切应该都是最简化的，故他猜想下落物体的速度是随时间均匀增加的，即瞬间速度与时间成正比。

第三步，数学推理。（困难一）

第四步，实验验证。（困难二）

第五步，得到结论并对结论根据事实情况进行合理外推。（困难三）

根据科学研究方法的分析，伽利略要建立自己的理论，他面对了三个困难，只要解决这三个问题，便可以得到自由落体运动的规律。

困难一：伽利略的具体数学困难是物体的瞬时速度无法直接测量。伽利略通过一个间接验证的方法来解决了这个问题。通过验证物体下落的高度与时间的二次方成正比来说明物体的瞬间速度与时间成正比。

困难二：在那个时代，做实验最大的困难在于测量物体下落的时间。当时人们只能用自己的脉搏或者滴水来测量时间。而我们设想一个物体从10米高的地方自由下落，根据匀加速的知识，我们可以判断出它下落的总时间不过一秒多，这么短的时间在那时候是很难被准确测量的。伽利略设计了著名的冲淡重力实验。将小球放到斜面上，小球运动速度变慢，则测量时间就会变得比较容易。伽利略通过无数次的实验，最后得到结论：小球做匀加速直线运动。并且同一个斜面，不同小球，加速度相同。

困难三：对结论进行合理外推。通过斜面实验得到的是在斜面上的小球运动的结论，那如何推到自由落体运动呢？通过极限的设想，当斜面倾角不断增大时，小球的运动仍然满足得到的结论。让倾角越来越大时，当倾角为90°时，此时就是自由落体运动。据此可以把斜面实验的结论合理外推到自由落体的情况上。

在解决完这三个困难以后，伽利略就得到了自己严谨的结论：自由落体是：初速度为0的匀加速直线运动，且所有物体下落的加速度都相同。

四、小结

伽利略对自由落体运动的研究其实可以分为两个过程，先推翻亚里士多德，即证明物体下落速度与质量无关。再是自己对自由落体运动的规律探究，证明物体自由下落是特殊的匀加速运动。通过伽利略推翻亚里士多德过程的教学，引导学生总结出科学研究方法的步骤，进而用以对自由落体运动的研究，以便于理解研究过程中的三个困难。

参考文献

[1]曾湖贤,彭利民.基于物理学史培育核心素养——以“伽利略对自由落体运动的研究”为例[J].湖南中学物理,2022,37(12):1-3.

[2]李春来,周楠.通过挑战性实践活动的实施达成深度学习——以“重走伽利略探究自由落体运动之路”为例[J].中学物理教学参考,2021,50(31):1-4.