伽利略对自由落体运动的研究

中小学教育资源站（)，百万免费教育资源当下来，无须注册！中小学教育资源站伽利略对自由落体运动的研究湖州双林中学王楚雄Ⅰ教学目标1．知识和技能(1)了解伽利略研究落体运动的思路和方法(2)知道伽利略在力学上的主要贡献(3)认识伽利略利用斜面研究自由落体运动所蕴含的思想方法2．过程和方法（1）让学生自己设计实验，从而使学生初步认识到科学实验是进行科学研究的重要思路和方法。（2）通过史实了解伽利略研究自由落体规律的过程，体会其推理方法的奥妙，同时了解猜想的必要性，感受探究规律的几个必要过程和科学方法的重要性，了解体会一些科学的方法。3．情感、态度和价值观（1）日常所见未必就代表真理，在传统认识的基础上敢于提出不同见解是需要勇气的。（2）通过了解史实能培养同学们的意志和科学的方法观，避免盲目和急功近利思想，提高自己的认识观。（3）经历伽利略对自由落体运动的研究过程，体验数学在研究物理问题中的重要性，体会人类对客观世界发现之旅的乐趣。Ⅱ教学内容剖析1.本节课的地位和作用通过回顾，讨论对落体运动的不同观点，学会伽利略研究、探索问题的方法。2.本节课教学重点了解探究过程，明确探究的步骤，同时了解实验及科学的思维方法在探究中的重要作用，从中提炼自己的学习方法。3.本节课的教学难点“观察——猜想——推理——验证——推广”是本节的重要思路，也是培养良好思维习惯的重要参考。Ⅲ教学思路与方法从最简单的落体运动入手，学习伽利略对自由落体运动的研究、逻辑推理过程，通过组织讨论的方法，加深知识印象。Ⅳ教学准备图片资料，多媒体课件。Ⅴ课堂教学设计教学环节教学内容师生互动设计意图引入新课师：同学们我们已经学习过自由落体运动了，了解有关的性质和特点，但是同学有没有想过古代的人们是怎样研究的吗？古代的时候科技没有我们现在发达，也没有打点计时器，那他们又是怎样研究的呢？中小学教育资源站（)，百万免费教育资源当下来，无须注册！中小学教育资源站引入新课一、对现象进行观察。亚里士多德的观点：物体越重，下落的越快。今天这节就让我们学习一下古人对自由落体运动的研究历程。师：在日常生活中我们可以经常可以看到这样的事实，一块石头要比一片树叶下落的快，……。公元前4世纪，古希腊伟大的思想家，哲学家亚里士多德根据与我们类似的观察，直接得出结论：重的物体比轻的物体下落的快。这个论断流传了近2000年，止到16世纪，在意大利的年青学者伽利略对亚里士多德的观点的表示怀疑。二、提出猜想自然界是简单的，自然界的规律同样也是简单的，因此，自由落体运动一定是一种最简单的变速的运动，伽利略对自由落体运动有两种猜想：（1）v与x成正比；（2）v与t成正比；指导学生阅读[逻辑的力量]：（传说伽利略在比萨斜塔上做过落体实验，但后来又被严谨的考证否定了。尽管如此，来自世界各地的人们都要前往参观，）师：（1）问题，伽利略是怎样论证亚里士多德的观点是错误的？师：（2）问题，同学们认同伽利略的这种对落体运动的观点吗？能否用身边的物体，设计一个实验来体验一下伽利略的佯谬？（引导学生思考设计实验，做过实验后回答）[做一做]请你用一枝铅笔和两本较厚的质量和形状相同的书（物理课本）做一下实验。(1)把铅笔和其中一本绑在一起和另一本一起下落做比较。(2)观察现象，得出结论。（认同其观点）（3）猜想，既然物体下落过程中物体的运动情况与物体的质量无关，那么在现实生活中，不同的物体的下落的快慢不同，又是有什么原因引起的？空气阻力？如果没有空气阻力有又会如何？（同学讨论回答）师：在这基础上，伽利略进一步进行猜想，自然界是简单的，自然界的规律同样也是简单的，因此，自由落体运动一定是一种最简单的变速的运动（匀变速运动）。伽利略对自由落体运动有两种猜想：（1）v与x成正比；（2）v与t成正比；理解其猜想过程三、运用逻辑得出推论x与2t成正比师：伽利略对自由落体运动有两种猜想：（1）v与x成正比；（2）v与t成正比；后来，经过数学推理发现第一种猜想是错误的，而要证明v与x成正比，只需要证明x与2t成正比。中小学教育资源站（)，百万免费教育资源当下来，无须注册！中小学教育资源站四、实验检验推论位移正比于时间的平方，即2xt=恒量。师：任何猜想都需要通过实验的检验，实验验证是检验真理的唯一标准。任何猜想都必须通过实验的检验，才能成为理论和真理。因此，伽利略并没有就此止步，他需要进一步通过实验来验证自由落体运动位移和时间成正比。但是，同学们思考一下，我们现在在研究自由落体时，我采用了那些仪器？他们的作用是什么？但是，在伽利略的时代并没有这些仪器，那么，同学们思考一下他会遇到那些困难，他又是如何解决的？（引导同学思考，体会其科学方法，请同学回答）（1）生：打点计时器，纸带，勾码。用来测位移和时间。生：困难之一困难：瞬时速度不易测量解决方法：如果初速度为0，物体的速度随时间的变化是均匀的，通过数学推理得出，通过的位移一定与时间的平方成正比，即x∝2t，这样，只需要测出物体通过不同位移所用的时间，就可以验证物体的速度是随时间均匀变化的。生：困难之二困难：物体下落很快，当时没有准确的计时工具，很难测定物体通过不同位移的时间。解决方法：用滴水计计时，设计了一个巧妙的方法来“冲淡重力”的斜面实验。让铜球沿阻力很小的斜面下滑，小球在斜面上运动的加速度要比竖直下落时小的多，时间更长，容易测量。而且，只要斜面倾角一定，小球的加速度是相同的。生：困难之三困难：怎么样由斜面实验结果说明落体运动也符合这个规律呢？解决方法：小球沿斜面下落并不是落体运动，但伽利略在这基础上做了合理的外推：当斜面倾角增加到90°时，变为自由落体运动。。[阅读]课件投影伽利略斜面实验情况伽利略在《两种科学的对话》中说“一块木料制成长约12库比特，宽半库比特，厚三指的板条，在它的上面划一条比一指略宽的槽，将这个槽做得很直，打磨得很光滑，在槽上裱－层羊皮纸（也要尽可能光滑）．取一个坚硬、光滑并且很圆的铜球，放在槽中滚动。将这个木糟的一端抬高一到二库比特，使槽倾斜。就像我要讲的那样把球放在糟顶让沿合槽滚下，记录下降的时间。实验要重复几次，以便使测得的时间准确到两次测定的结果相差不超过一次脉博领悟的科学精神、物理思想、研究方法。中小学教育资源站（)，百万免费教育资源当下来，无须注册！中小学教育资源站的十分之一，进行这样的操作，肯定了我们的观察是可靠的以后，将球滚下的距离改为糟长的四分之一，测定滚下的时间，我们发现它准确地等于前者的一半。下一步，我们用另一些距离进行试验，把全长用的时间与全长的二分之一、三分之二、四分之三，或者其他任何分数所用的时间相比较，像这样的实验，我们重复了整整一百次，结果总是经过的距离与时间的平方成比例，并且在各种不同坡度下进行实．结果也都如此……”师：伽利略在当时有限的实验条件下，通过反复的实验，终于得出了初速度为0的匀加速直线运动中位移和时间的关系。现在我们可以用什么仪器比较精确的方法来记录时间和位移进行研究呢？生：秒表、刻度尺生：打点计时器师：现在同学们桌上有秒表，刻度尺，小车，木板。同学们思考一下，如果让你设计实验，研究初速度为0的匀加速直线运动的位移和时间的关系，你会如何设计？（引导学生参考伽利略的实验设计）学生活动：讨论并设计实验方案，5分钟后交流。生：（1）用刻度尺测出木板的长度；记录下木板的长度，然后，使木板与水平面保持一个角度，这个角度（不宜过大，也不要过小）要适中。接着，从顶端释放小车，记录下小车下滑底端时的时间。（2）让小车从全长的四分之三处下滑，记录下时间。（3）让小车从全长的三分之二处下滑，记录下时间。（4）让小车从全长的二分之一处下滑，记录下时间。……生：最后比较各数据，得出位移和时间的关系。位移（x）时间（2t）师：我们现在已经得到了设计方案，两人一组进行实验。（学生动手实验）师：从实验数据我们得到什么结论？生：同一倾角时，在误差允许的范围内，2xt=常数，即x与2t成正比。中小学教育资源站（)，百万免费教育资源当下来，无须注册！中小学教育资源站五、对假说进行修正和推广当斜面倾角增大到90°，即斜面与地面垂直时，小球将自由下落，成为自由落体。此时2xt=恒量的关系仍成立，此时比值为最大。自由落体是一种特殊的匀变速直线运动。师：接下来，同学们改变倾角，重复实验几次，看看结果是否一样？生：倾角越大，常数越大。师：我们得到的结论，与伽利略用简单仪器得到的结论是一致的。总结：伽利略根据实验结果出发，认为在初速度为0的匀加速直线运动中，经过的位移正比于时间的平方，即2xt=恒量，而恒量的数值随着斜面倾角增大而增大。当斜面倾角增大到90°，即斜面与地面垂直时，小球将自由下落，成为自由落体。此时2xt=恒量的关系仍成立，此时比值为最大。自由落体是一种特殊的匀变速直线运动。伽利略将实验和逻辑思维相联系进行科学研究的思想，开辟了一条科学研究之路。（对假说进行推广）[巩固练习]：（1）在研究落体运动时，伽利略为什么要设计那个著名的“斜面实验”？（2）伽利略对落体运动的研究思路可以概括成什么？你从中可以得到何种启示[作业]：讨论伽利略的贡献。再讨论一下，在一般物理问题的研究过程中，是否都需要经历这些步骤？最后，在设想一下如果用打点计时器又应该如何设计实验？Ⅵ视野拓展物理学家于2003年评比出十个最美的物理实验，伽利略的自由落体实验和加速度实验均被评为最美的实验。这种“美”是一种经典的概念，即用最简单的仪器和设备，得出最根本，最单纯的科学结论。其实，科学美蕴藏于各门科学的实验之中，有待于我们在学习过程中不断感悟和发展。