人教版 (新课标)必修16 伽利略对自由落体运动的研究优秀教案

高中物理新课标教学设计

2.6  伽利略对自由落体运动的研究

【学习者分析】

学生对亚里士多德和伽利略有一定的了解，但是对他们在物理学发展的影响还是不深入。学生平时没有养成良好的科学研究态度，通过本节内容的学习，不仅可以让学生学习物理学家如何探究物理规律的，还可以学习培养学生在科学探究过程的严谨认真的态度。

【教材分析】

落体运动是一种自然界中广泛存在的典型运动，自古以来许多人都研究过，伽利略对自由落体运动的研究意义巨大.本节从生活经验和亚里士多德的观点出发进行巧妙推理，使亚里士多德的理论陷入自相矛盾的境地，进而引起学生探究的兴趣.本节课介绍落体运动的研究历史，主要是介绍伽利略对自由落体运动的研究过程和他的科学思维方法，以及他的巧妙的实验构思.使学生对自由落体运动的认识上升到更高的层次.本节教材编写的脉络清楚，逻辑推理严谨、文字表述生动和通俗易懂，因此，适合于学生自主学习.学生除阅读教材外，还可阅读一些课外参考书，从网上查阅一些资料，通过自己独立的思考，归纳、总结并提出自己的看法、体会等.

【教学目标】

1.知识与技能：

（1）了解落体运动研究的史实，了解逻辑推理的特色.

（2）理解任何猜想和假说都须要有实验验证的重要性.

2.过程与方法：

（1）让学生初步体会抽象思维、提出假说、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.情感态度与价值观：

（1）渗透研究自然规律的科学方法.

（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.

【重点难点】

重点：了解探索过程，明确探索的步骤，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.

难点：“观念—思考—推理—猜想—验证”是本节的重点思路，也是培养良好思维习惯的重要参考.

【设计思想】

对于“绵延两千年的错误”，教学中要让学生知道眼里士多德关于重物下落快的观点是错误的，同时也要让学生知道人类对大自然的认识是逐步深入的，教学中要让学生认识到认识自然应该用客观、历史、辩证的观点的角度分析。

【教学环节】

［新课导入］

师：我们用手拿一个小球和一张纸片，放开后，小球和纸片从静止开始下落.我们可以看到，小球先落地，纸片后落地.

公元前4世纪，古希腊伟大的思想家、哲学家亚里士多德（Arestotle）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得快.

亚里士多德的论断流传了近2 000年，直到16世纪，在意大利的比萨斜塔上，伽利略做了著名的两个球同时落地的实验.两个轻重不同的小球同时落地的声音，是那样的清脆美妙，又是那样的发聋振聩！它动摇了人们头脑中的旧观念，开创了实验和科学推理之先河，将近代物理学以至近代科学推上了历史的舞台.

今天这节课我们就一起来经历伽利略对自由落体运动的研究过程，领悟这位大师的科学精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鉴.

［新课教学］

一、绵延两千年的错误

（课件展示）亚里士多德的观点：物体越重，下落越快.

公元前，人们对物体下落的研究很少，凭着观察认为重的物体比轻的物体下落得快.当时，著名的思想家亚里士多德（Aristotle，前384～前322）经过了观察和总结认为“物体下落的速度与重力成正比”.这一观点正好应和了人们潜意识里的想法；同时，它又是伟大的亚里士多德提出的论断，人们深信不疑.从那以后，人们判断物体下落的快慢，甚至给孩子们上课时一直坚持这一观点，这一观点一直延续了2 000多年，从没有人对它提出异议.

【交流与讨论】

提出问题：为什么会有错误的认识呢？

学生思考问题，交流体会.

生：错误认识的根源在于不注意探索事物的本质，思考不求甚解.

二、逻辑的力量

学生阅读：

16世纪末，意大利比萨大学的青年学者伽利略（Galileo Galilei，1564～1642）对亚里士多德的论断表示了怀疑.后来，他在1638年出版的《两种新科学的对话》一书中对此作出了评论.

根据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大.假定大石头的下落速度为8，小石头的下落速度为4，当我们把两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着而减慢，结果整个系统的下落速度应该小于8；但两块石头捆在一起，总的重力比大石头还要重，因此整个系统下落的速度要比8还大.这样，就从“重物比轻物落得快”的前提推断出了互相矛盾的结论，这使亚里士多德的理论陷入了困境.为了摆脱这种困境，伽利略认为只有一种可能性：重物与轻物应该下落得同样快.（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，他们把这座古塔看作伽利略的纪念碑）

问题：伽利略是怎样论证亚里士多德观点是错误的？

猜想：既然物体下落过程中的运动情况与物体质量无关，那么为什么在现实生活中，不同物体的落体运动，下落快慢不同呢？我们能否猜想是由于空气阻力的作用造成的呢？如果没有空气阻力将会怎样呢？

学生讨论后回答.

【做一做】

请你用一枝铅笔和较厚的一本书如图2－5－1所示，体验伽利略佯谬.   

图2－5－1

三、猜想与假说

伽利略认为，自由落体是一种最简单的变速运动.他设想，最简单的变速运动的速度应该是均匀变化的.但是，速度的变化怎样才算均匀呢?他考虑了两种可能：一种是速度的变化对时间来说是均匀的，即经过相等的时间，速度的变化相等；另一种是速度的变化对位移来说是均匀的，即经过相等的位移，速度的变化相等.伽利略假设第一种方式最简单，并把这种运动叫做匀变速运动.

四、实验验证

师：实验验证是检验理论正确与否的唯一标准.任何结论和猜想都必须经过实验验证，否则不成理论.猜想或假说只有通过验证才会成为理论.所谓实验验证就是任何人，在理论条件下去操作都能到得实验结果，它具有任意性，但不是无条件的，实验是在一定条件下的验证，而与实际有区别.

【阅读】

（课件投影）伽利略斜面实验的情况

伽利略在《两种新科学的对话》中说：

“用一块木料制成长约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，在槽上裱一层羊皮纸（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.将这个木槽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槽顶沿槽滚下，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搏的十分之一，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槽长的四分之一，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验，结果也都如此……”

【讨论与交流】

感受伽利略的探究过程，体会其科学方法

师：物体做自由落体运动的速度很快，在当时的实验条件下，是很难测量其位移和相应的时间，有什么方法可以使物体的速度可以慢一点又能研究匀变速直线运动的？

生：让小球在倾斜的轨道上滚下，倾角不要太大.

师：当时伽利略就是用这个方法.他设计一个斜面实验，使物体的运动速度变慢，解决了测量的难题.伽利略在一块木板上刻出一道直槽，槽内贴上羊皮纸使之平滑，用自制的水钟测量时间，探究一个光滑黄铜小球沿倾斜直槽滑下时的运动情况.我们也可以模拟这个四百多年前的实验，感受科学家的研究方法.

播放影片：

①用形铝型材，取长约1.6 ｍ的一段为导轨，以节拍器为计时器.将导轨一端垫高，呈斜面状，将小球开始运动处作出标记.

②调整时，启动节拍器，随节拍声数数“3，2，1，0，1，2，3”，将小球在听到节拍声“0”时从原点释放.一边随节拍声数数，一边用手顺序指出当节拍器响时，小球大致的位置.

③不改变小球下落的初始位置，只要释放小球的时刻准确，在随后的各节拍声响时，在小球经过的大体位置上作出标记；

④从标尺上读出各标记到起始位置的间隔距离，并填入表格中；

⑤改变斜槽的倾斜角，重复实验多次；

师：伽利略在当时有限的实验条件研究出初速度为零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1：秒表、刻度尺.

生2：打点计时器.

生3：频闪照相机.

师：桌面上就有打点计时器、小车、木板，每两位同学为一组，设计实验，研究初速度为零的匀加速直线运动的位移和时间的关系，并设计表格记录实验数据.

学生活动：讨论并设计实验方案，5分钟后进行交流.

参考方案：

1.把小车轨道的一端垫高，呈斜面状，把打点计时器固定在斜面最高点上，纸带穿过打点计时器的限位孔连在小车的尾部.

2.打开打点计时器开关，然后把小车从某一位置由静止开始释放，打出一条纸带.

3.从纸带第一点开始，测量从开始到每一个点的时间和位移，并填入表格中.

4.改变木板的倾角，把小车从同一位置从静止开始释放，并对从打出的纸带反映的数据填入表格中.

师：我们已经确定了实验方案，下面进行实验并对实验数据进行处理.

学生活动：两人为一组进行实验，并对实验数据进行处理.

师：从得到的实验数据，我们得到什么结论？

生1：同一倾角时，在误差允许的范围内，＝==常数

即x∝t2.

生2：倾角越大，常数越大.

师：我们得到的结论，与四百年前伽利略使用简单仪器得到的结论完全一致.

伽利略根据斜面结果出发，认为：在初速度为零的匀加速直线运动中，经过的距离正比于时间的平方，即=恒量，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，x∝t2的关系仍然成立，此时的比值为最大，这时小球仍然会保持匀变速直线运动的性质，自由落体运动是一种特殊的匀变速直线运动.

伽利略将实验与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.

【读一读】

物理学家于2003年评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选为最美的实验.这种“美”是一种经典概念，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现.

五、伽利略的科学方法

对现象一般观察—提出猜想—运用逻辑推理—实验对推理验证－对猜想进行修证（补充）—推广应用.

伽利略的科学思想方法的核心是把实验和逻辑推理（包括数学推理）和谐地结合起来，从而有力地推进了人类科学认识的发展.

【课堂训练】

1.在物理学的发展历程中，下面的哪位科学家首先建立了平均速度、瞬时速度和加速度等概念用来描述物体的运动，并首先采用了实验检验猜想和假设的科学方法，把实验和逻辑推理和谐地结合起来，从而有力地推进了人类科学的发展

A.亚里士多德        B.伽利略    C.牛顿    D.爱因斯坦

2.红孩同学摇动苹果树，从同一高度一个苹果和一片树叶同时从静止直接落向地面，苹果先着地，下面说法中正确的是

A.苹果和树叶做的都是自由落体运动

B.苹果和树叶的运动都不能看成自由落体运动

C.苹果的运动可看成自由落体运动，树叶的运动不能看成自由落体运动

D.假如地球上没有空气，则苹果和树叶会同时落地

3.甲同学看到乙同学从10层楼的楼顶同时由静止释放两个看上去完全相同的铁球，结果甲同学看到两球不是同时落地的.他分析了两球未能同时落地的原因.你认为他的下列分析哪些是正确的

A.两球在下落过程中受到的空气阻力不同，先落地的受空气阻力小

B.两球在下落过程中受到的空气阻力不同，先落地的受空气阻力大

C.两球下落过程中受到的空气阻力相同，先落地的是实心球，重力远大于阻力

D.两球下落过程中受到的空气阻力相同，先落地的是空心球，阻力与重力比，差别较小

参考答案：

1.答案：B

2.答案：CD

3.答案：C

解析：两球形状完全相同，在下落过程中所受空气阻力相同（差别很小），下落快慢不同的原因是重力不同.

［小结］

通过这节课的学习，我们从伽利略对落体的研究上，学习他的观察思考等科学方法，为我们下一步（以后）的探究打下基础，不能盲目，也不能惧怕困难，要用科学的方法指导我们.

六、作业

请仔细回顾伽利略研究落体运动的全过程，把他的每一个步骤列出来，并说明哪一步骤是提出问题，哪一步骤是数学推理，哪一步骤是实验验证等等.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?

参考答案：如下表所示.

在一般物理问题的研究中，并不需要完整地经历这些步骤.

［课外训练］

1.在学习物理知识的同时，还应当十分注意学习物理学研究问题的思想和方法，从一定意义上说，后一点甚至更重要.伟大的物理学家伽利略的研究方法对于后来的科学研究具有重大的启蒙作用，至今仍然具有重要意义.请你回顾伽利略探究物体下落规律的过程，判定下列哪个过程是伽利略的探究过程

A.猜想—问题—数学推理—实验验证—合理外推—得出结论

B.问题—猜想—实验验证—数学推理—合理外推—得出结论

C.问题—猜想—数学推理—实验验证—合理外推—得出结论

D.猜想—问题—实验验证—数学推理—合理外推—得出结论

2.在伽利略的时代，技术不发达，无法直接测量自由落体的瞬时速度，伽利略采用了一个巧妙的方法，用来“冲淡”重力.伽利略让铜球沿阻力很小的斜面滚下（如图2－5－2所示），得出结论：铜球在斜面上做____________运动，进一步科学推理得出结论：自由落体运动是一种_______________运动，并且所有落体在自由下落时的加速度都________（填“相同”或“不同”）.

图2－5－2

3.伽利略用实验验证v∝t的最大困难是

A.不能很准确地测定下落的距离    B.不能测出下落物体的瞬时速度

C.当时没有测量时间的仪器     D.当时没有记录落体运动的数码相机

参考答案

1.答案：C

解析：伽利略探究物体下落规律的过程是：先对亚里士多德对落体运动的观察得出的结论提出质疑——大小石块捆在一起下落得出矛盾的结论，猜想——下落的运动是最简单的运动，速度与时间成正比；数学推理——如果v∝t，则有h∝t2；实验验证——设计出斜面实验并进行研究，得出光滑斜面上滑下的物体的规律h∝t2；合理外推——将光滑斜面上滑下的物体的规律h∝t2推广到落体运动.从探究的过程看，答案应是C.

2.初速度为零的匀加速直线  初速度为零、加速度为g的匀加速直线  相同

3.答案：B

解析：虽然伽利略时代也没有精确测量时间的仪器，但对验证v∝t的关系而言，无法测出下落物体的瞬时速度是最大的困难（实际上，当时对瞬时速度的含义也是不清楚的）.

【板书设计】

5  伽利略对自由落体运动的研究

【教学反思】

本节课要注重学生之间的交流讨论，在讨论伽利略的思想时要把它们当时放到当时的社会大背景中去考虑。但是上课之前学生阅读相关资料较少，因此上课前多组织学生去翻阅资料，这样在课堂上讨论交流时就可以有很多讨论的话题，教师可以有很多组织讨论的形式可以变换.