人教版高中物理必修一《2.6 伽利略对自由落体运动的研究》教学设计

《伽利略对自由落体运动的研究》教学设计
一、教材分析
本节选自高中物理人教版必修一第二章《匀变速直线运动的研究》，是一个关于匀变速直线运动研究的科学史介绍内容。
本节主要介绍伽利略研究自由落体运动的科学 ( http: / / www.21cnjy.com )方法和巧妙的实验构思，为此教材做了如下安排：第一部分，介绍亚里士多德关于重物下落快的观点；第二部分，介绍伽利略用逻辑论证，得出轻重物体下落一样快的观点；第三部分，伽利略通过猜想与假说，进一步研究自由落体运动的规律；第四部分，介绍伽利略设计巧妙实验与合理外推验证猜想。
值得注意的是，这节并没有涉及新的物理知识， ( http: / / www.21cnjy.com )但对科学史的描述脉络清楚、逻辑严谨、生动易懂，体现教材对过程与方法、情感态度与价值观这两方面教育目标的重视。
二、学情分析
学生此前已经学习了匀变速直线运动的概念和规 ( http: / / www.21cnjy.com )律，对匀变速直线运动以及其中的自由落体运动有了一定程度的认识，这些都是学习本节课学习的基础。初中学习对严密的逻辑推理、实验分析设计要求不高，因此通过这节介绍研究自由落体运动的科学史课，有助于引导学生提高这些方面的能力。教学过程中，需要重视的是，学生容易混淆探究的过程思路，这就需要教师一部部引导，将学生代入情景，体会伽利略发现问题以及解决困难的方法，将探究的过程表达清楚、自然。
三、教学目标
（一）知识与技能
了解伽利略研究自由落体运动的探究历史。
（二）过程与方法
了解伽利略研究自由落体运动的科学方法和巧妙的实验构思。
（三）情感、态度和价值观
通过学习伽利略对自由落体运动的研究，理解人类对大自然的认识是逐步深入的，增强热爱科学、勇于探索、坚持真理的高尚情操。
四、教学重难点
重点：伽利略研究自由落体运动的过程。
难点：伽利略指出亚里士多德错误的逻辑推理方法以及设计巧妙实验的过程。
五、教学方法
讨论法、实验教学、探究学习、启发提问法、讲授法相互结合
六、教学过程
（一）复习所学，引入课题
之前我们学习自由落体运动， ( http: / / www.21cnjy.com )通过真空管和打点计时器探究了自由落体运动的规律。我们研究自由落体运动意义，就在于生活中的很多落体运动都能看作是自由落体运动。其实，早在公元前，人们就已经对落体的运动感兴趣。从前那些没有牛顿管和打点计时器的科学家们，用怎样的办法研究自由落体运动呢？今天，我们就一起学习第六节，《伽利略对自由落体运动的研究》。
（二）互动讨论，新课教学
1.介绍学者，提出问题
谈到对自由落体运动的研究，最早应该追溯到这位学者。（PPT：亚里士多德图片）
关于亚里士多德，很多同学都会有这样一个 ( http: / / www.21cnjy.com )想法：错的观点都是亚里士多德讲的。的确，受到古希腊时期人们认知和科技局限性的影响，亚里士多德提出的许多观点在现在看来十分荒谬，一些正确的观点放在现在又是顺理成章的事。这恰恰导致了亚里士多德做出的贡献被低估。事实上，科学探索是一个步步深入，不断建立、推翻、再建立的螺旋发展过程，并不是一蹴即就的简单步骤。亚里士多德的价值需要我们用客观、历史和辩证的观点来看待。（PPT进一步罗列亚里士多德的研究领域与著作，展示他的贡献）
当时亚里士多德研究时，无论是通过观 ( http: / / www.21cnjy.com )察生活中的现象，还是通过实验，都发现像铁块这样重的物体比像羽毛这样轻小的物体下落得快。因此得出结论，重的物体比轻的物体下落得快。当然，亚里士多德得出这个观点，主要是因为当年他不知道存在空气阻力。这个错误的观点一直延续了两千年，直到16世纪末，人们已经对空气阻力有了一定的感知，科学家伽利略对亚里士多德最初的观点产生的质疑。（PPT二人隔空对话）
2.启发引思，逻辑推理
伽利略凭借逻辑的力量做了这样的假设。这里有一个大石头和一个小石头（PPT展示），按照亚里士多德的观点，大石头比小石头下落得快。
问：你们觉得把两个石头绑在一起，下落情况会是什么样的？
生1：应该比大石头慢，比小石头快。因为绑在一起，会把大石头拖慢一些，小石头拉快一些。
生2：应该比大石头和小石头都快。因为绑在一起，这个物体的总重量比原来的石头都重，应该比原来的都快。
师：大家看，我们运用了亚里士多德的论断，假设重的物体比轻的物体下落得快，得出了两个矛盾的结论。这说明了什么？（哪里出错了？）
生：假设错了。
师：对，伽利略也是这样，运用逻辑的 ( http: / / www.21cnjy.com )思维，反驳了亚里士多德的观点。他认为，要摆脱这个困境，只有一种可能：重物与轻物下落得同样快。也就是物体自由下落的快慢与质量无关。瞧，伽利略仅仅运用了逻辑的力量，就得到了我们真空管实验得到的结论。而这一环节，也是伽利略对自由落体运动研究的闪光点，没有这一步，伽利略就不能并进行接下来对自由落体运动的研究。
3.提出猜想，实验验证
既然不同物体都是做同一种落体运动，那这种运动究竟是什么运动呢？
伽利略首先遇到的困难是概念上的。那时没有速度等概念的明确定义，平均速度、瞬时速度和加速度的概念都是由伽利略在当时建立起来的。
伽利略相信，自由落体运动的规律一定是简洁明了 ( http: / / www.21cnjy.com )的，落体运动的速度应该是均匀变化的。但这里的“均匀”有两种可能，速度随时间均匀变化v∝t，或者速度随位移均匀变化v∝x。这两种情况都有可能，那自由落体运动属于哪一种呢？
事实上，我们只要能证明其中 ( http: / / www.21cnjy.com )一个正确，另一个就无需证明了。事实上我们会发现，如果v∝x，将会推导出非常复杂的结论。所以我们先从简单的开始证明，即用实验来检验速度与时间是否成正比。
在设计实验时，伽利略也遇 ( http: / / www.21cnjy.com )到一些困难。首先，由于当时仪器限制，瞬时速度难以测量。因此不能直接验证速度与时间的正比关系。伽利略想到，瞬时速度难测，但位移好测。对于初速度为零的运动，如果v∝t，那么通过的位移就与时间的二次方成正比。因此，我们只需要验证x∝t2即可。
可是现在仍然存在一个问题，就是测量时间的问题。我们知道，一个物体下落的时间非常短，而当时并没有现在这样各种各样的精确的计时仪器。
启发思考：想一想，当时的人们可以用什么来计时？
学生：滴水计时、脉搏、钟摆……
补充：用这些仪器，我们测出来的时间都是 ( http: / / www.21cnjy.com )以秒的数量级，根本无法准确测量自由落体运动的时间。为了解决这个问题，伽利略想到，小球被拉下来是靠重力，如果重力小一些就好了，这样小球落得就慢一些，用的时间也长一些。他采用了一个很巧妙的方法，让铜球沿斜面滚下，“冲淡”重力，这样所用的时间长得多，容易测量。
4.演示实验，引导验证
跟随伽利略的脚步，我们一起来研究小球沿 ( http: / / www.21cnjy.com )斜面滚下的运动，验证小球的位移是否和时间的二次方成正比。老师带来了两个不同质量的金属球和一条倾角可调的长金属斜槽，还有一把直尺、一只滴水计（展示）。
问：我们应该怎样测量什么数据？
答：位移和时间。
补充：我们用直尺来测位移，用滴水计来测时间。
进一步问：要记录多组数据，需要改变位移，测量所对应的时间。如何操作改变位移？
答：改变小球释放的位置。
（1）老师演示，学生记录，将数据输入excel表格中。（如下）
距离单位
时间单位
获得足够数据后，做出x-t2图像，发现小球沿斜面滚下的运动的确是匀加速直线运动。
（2）换一个不同质量的小球，其余条件不变，发现小球沿斜面滚下的运动的确是匀加速直线运动。
（3）将斜槽的倾角变大，重复上述试验，仍可以用实验证明这个运动史匀加速直线运动。
事实上，对于斜槽的倾角，我们也有要 ( http: / / www.21cnjy.com )求，倾角再稍微大一些，我们的实验或许就不能完成了。因为倾角大，运动更快，运动的时间很难测准。但是对于我们不能做的情况，我们仍可以根据之前的实验情况知道，小球从斜面上滚下的运动就是匀变速直线运动。
5.逻辑思维，合理外推
问：但小球在斜面上的运动是匀加速直线运动，这与我们最终要研究的自由落体运动有什么关系呢？
答：当斜面的倾角越来越大，大到90°时，小球的运动就是转化为自由落体运动了。
PPT展示书第48页2.6-3图：我已经 ( http: / / www.21cnjy.com )能证明这个角度以及更小的角度斜面上是匀变速直线运动（指第一个斜面），角度再大一些，做实验证明虽然已经很困难，但是我仍然可以推此即彼认为这个斜面上也是匀变速直线运动（指第二个斜面）。同样道理，角度继续变大，实验已经完全不能证明了，但应该还是匀变速直线运动（指第三个斜面），当倾角大到接近到90°，还是在斜面上因此还是匀变速直线运动，在大一点点就是自由落体运动，因此自由落体运动也是匀变速直线运动。
在这里，伽利略运用了合理外推，将实验和逻辑完美地结合在了一起。
6.归纳总结，巩固回顾
伽利略设计实验的构思非常巧妙，最后，让我们来一起回顾他的研究过程。
首先，他提出了问题“自由落体运动究竟是什么样的运动？”。
随后，提出猜想“速度与时间成正比”。
为了克服实验困难，他将速度-时间测量转换为位移-时间测量，并先研究小球在斜面上的运动来“冲淡”重力。
最后，他运用了合理外推的逻辑思想，将斜面上的运动转化为自由落体运动，得出自由落体运动是匀变速直线运动的结论。
七、板书设计
伽利略对自由落体运动的研究
一、延绵两千年的错误：亚里士多德
二、逻辑的力量：伽利略
三、探究自由落体运动
八、反思
数学推理
提出问题
得出结论
实验验证
合理外推
提出猜想