伽利略对自由落体运动的研究.docx

伽利略对自由落体运动的研究
广东省汕头市华侨中学　　倪　涵
教材依据
人民教育出版社高中物理必修①第二章第２节
教学流程图

教学目标
一、知识与技能目标：
了解伽利略的科学研究思想
二、过程与方法目标：
了解伽利略的推理过程，体会伽利略所采用的科学的研究方法
三、情感态度价值观目标：
（１）经历伽利略的研究过程，感受伽利略不迷信权威，敢于提出问题，积极探索的精神。
（２）在经历研究过程中，培养学生良好的思考、分析、解决问题的思路和习惯
教学重点
了解伽利略对物体下落运动快慢问题的实验研究工作，认识伽利略有关实验的科学思想和方法
教学难点
再现伽利略的研究过程与方法
教学媒体
相关的图片挂图和资料幻灯片、模拟斜塔实验的ＣＡＩ课件
教学过程
环节
方式
教学内容
学生活动
多媒体应用
引　入
复习提问
上一节课学习了自由落体运动，那么什么是自由落体运动，自由落体运动的规律有哪些？物体的下落快慢和重量没有关系的结论在今天看来似乎并不难以接受。但这个结论却是伽利略在经历长时间的思考和实践后才得出的，今天我们就要一起来回顾伽利略的研究过程。
学生回忆并回答　

新课

提问学生发表结果同时，师补充总结启发思考　教师介绍
人们日常生活的经验告诉我们，重的物体下落总是比较快。比如：树上的一颗苹果和一片树叶同时从树上同一高度掉下来，一定是苹果先落地。所以在１６世纪以前，以亚里士多德为代表的学者认为物体下落的快慢由物体的重量决定，物体越重下落越快。由于亚里士多德在各方面的突出成就，人们将他的观点奉为经典，当时的教科书上这样写，众多学者也认同。虽然也有人表示怀
疑，但由于教会利用他的结论，进行神化处理，所以大家都不敢对这一观点发出公开的质疑。直到文艺复兴时期，才由伽利略通过推理的方法研究下落运动的规律并发表。之后伽利略也由于他的著作而受到教会的迫害，被判处终身监禁，著作也被列为禁书。
那么伽利略是怎么推翻亚里士多德的结论并建立自己的理论的呢？
总结：
伽利略通过四个环节推翻了亚里士多德的结
论并建立自己的理论。
１．运用推理方法，使亚里士多德的结论陷入矛盾中。
用绳子把两块石头连在一起，由于总体重量大于任一石头，按亚里士多德的观点，其下落速度应大于任一石头单独下落的速度；另一方面，用绳子连在一起的两块石头毕竟仍是分开运动的，大石头运动得快，小石头运动得慢，大石头必然会被小石头“拖后腿”，使总体的运动速度小于大石头单独运动的速度。
用同一观点分析同一问题却得到完全矛盾的两个结论，说明亚里士多德的观点是错误的。
２．运用理想模型，猜想落体运动的规律首先定义匀速运动，表明时间与通过的空间的比例关系。然后再定义匀加速运动，用于表述时间与速度的关系。但在没有进行数学推导和实验研究之前，他对匀加速运动的认识十分模糊。一开始他的设想有两个，一个是速度的变化对时间来说是均匀的，即ｖ与ｔ成正比；另一种是速度的变化对位移来说是均匀的，即ｖ与ｘ成正比。后来发现，如果ｖ与ｘ成正比，将推导出荒谬的结论。所以伽利略的精力集中在ｖ与ｔ成正比的研究上。
３．运用数学方法，推导自由落体运动的数学表达式以及可以直接测定的物理量之间的函数关系。
在定义匀速运动的基础上，伽利略提出第一
定理，即平均速度定理：一个从静止开始的匀加速运动的物体经过任一空间所用时间等于这个物体以一个均匀速率经过同一空间所需的时间。这个均匀速率值等于最高速率和加速刚开始前的速率的平均值（即ｖ＝ｖ０＋ｖｔ２）以第一定理为基础，伽利略又推出定理二：一个从静止开始的匀速运动下落的物体所经过的各段空间的比，等于经过这些距离对应所用的各个时间间隔的平方之比。伽利略又给出定理二的另一种表述：在相等的时间间隔里速度按自然数增加，而在这些相等的时间间隔里所经过的距离的增量之比则等于从１开始的奇数之比。至此，伽利略便完成了自由落体定律的数学表述。伽利略修正了早期对于自由落体运动的一些错误提法，提出正确的表述：在匀加速运动中，落体的瞬时速度正比于下落的时间，经过的距离正比于时间的平方。这样，并不需要测量瞬时速度，只要测定ｔ与对应的ｓ就可以了。
４．运用实验方法，对自由落体运动定律进行实验验证。
传说中（并无历史事实记录），伽利略亲自登上比萨斜塔，让两个轻重不同的球同时从手中开始下落，结果两球同时落地。因为塔并不高，而且物体在下落时速度又很快，所以这个实验有其局限性，难以明确ｓ是否真的与ｔ的平方成正比。于是，伽利略又在设计另一实验———斜面实验。由于伽利略时代的实验仪器不能精确测量快速下落所需的时间，所以他设想通过斜面落体来“冲淡重力”，并通过延伸斜面和控制斜面倾角来控制物体运动的速度和所经历的时间。经过多次实验发现，虽然不断改变斜面的倾斜度，但得到的结果有共同点：小球经过的距离的比值等于经过这些距离对应所用时间间隔的平方之比。伽利略在这个基础上进行合理外推，当倾角增大到９０度时，实验结论仍应成立，此即竖直落体运动。至此，伽利略就完成了对自由落体运动的研究。虽然当时伽利略已经意识到空气的阻力将影响物体的下落，但是由于科学发展和仪器设备的限制，当时仍然没有办法用实验手段得到真空，所以并不能真正的完成一个自由落体运动的实验。伽利略的研究也只能停留在理论研究的部分，直到牛顿的时代，发明了抽气机，才由牛顿设计了钱羽管（又称牛顿管），真正用实验证明在真空中，物体下落速度与物体重量无关。于是，伽利略的理论终于从纯理论研究进入实验验证，并通过实验验证了其正确性。
其实落体现象一直是引起物理学家们思考的现象，在伽利略之前，１４世纪的艾伯特认为下落物体的速度与下落的距离成正比。另一位１４世纪的学者，Ｎ·奥雷姆根据对各种运动的数学研究，提出下落物体的速率与下落的时间成正比，下落的距离与下落时间的平方成正比。１５世纪，Ｌ·达芬奇提出在连续相等的时间间隔内下落物体的距离比为１：２：３：４：……
为什么最终我们特别重视伽利略的结论呢？
回答：因为伽利略对问题的研究比较全面，先是通过观察现象，提出假设，运用逻辑和数学推理得出推论，再通过实验对推论进行检验（这是其他物理家在研究同一问题上缺少的关键环节），并对假说进行修正和推广。
他最先研究了惯性运动和落体运动的规律，为牛顿第一定律和第二定律的研究铺平了道路。他倡导实验和理论计算相结合，用实验检验理论的推导。这种研究方法对以后的科学研究工作具有重大的指导意义。而且伽利略不迷信权威，对待问题勤于思考，敢于提出问题、挑战权威，不畏强权的精神也是我们应为之喝彩并学习的。
1642年，伽利略在贫病交加中逝世，享年78岁。直到1983年，罗马教廷正式承认，350年前宗教裁判所对伽利略的审判是错误的。
学生根据课本提供的内容和事先查阅的资料分组讨论，小组推选一位同学发表讨论结果学生思考，在教师引导下回答
由学生展示搜索得到的图片和资料，教师补充部分资料和图片ＣＡＩ课件演示，模拟斜塔实验ＣＡＩ课件演示，模拟不同倾角的斜面实验钱羽管（牛顿
管）演示实验
布置作业
１．根据课堂了解伽利略的事迹，以及课前查阅的伽利略的生平等资料，整理撰写一篇８００字以上的心得体会。
２．课后以小组为单位，由学生排练饰演不同角色，重现伽利略推翻亚里士多德的观点的过程，下节课请同学上台表演。
教学设计说明
本节是新教材注重过程与方法、情感态度和价值观的一个标志性内容。过去的教学过分注重对知识与技能的掌握，而忽略了对科学精神、科学研究方法的培养。因此，能否通过这节课的学习让学生体会到人类对自然世界的探究思想和方法，感受到一位伟大的科学家的高尚情操，就成为这节课最终的目标。为了更好地突破以上难点，落实新课标的精神，我在教学策略上采用了先让学生收集相关资料，在课堂上经过讨论和发表见解，充实和完善伽利略的研究过程与方法。引导学生一步步体会伽利略严谨的科学态度、不畏强权的探索精神和正确的解决问题的思路，树立正确的科学
观念。
点评
该教案是新课标教材中与旧教材相比更能体现培养学生综合素质，重视除知识技能外其他能力的一个课例。从教学设计中可以看出设计者能较好的把握新课标的精神，在课堂教学前发动学生收集资料，培养学生收集和整理信息的能力；在课堂上能给予学生展现自己所收集资料的机会，培养学生的表达和应变能力；课后仍给与延续学习的机会，让学生排练整个研究过程并表演，将使学生对这节课的学习留下极深的印象，从而改变物理枯燥的惯有想法，使学习物理的过程充满乐趣。