《伽利略对自由落体运动的研究》教学设计

作者：蔺先杰

来源：《文理导航·教育研究与实践》 2014年第10期

新疆克拉玛依市第一中学 蔺先杰

【摘 要】伽利略在研究运动的过程中，创造了一套对近代科学发展极为有益的科学方法，这些方法的核心就是将逻辑推理与实验验证和谐地结合起来了，从而发展了人类的思维方式和研究方法。

【关键词】伽利略；自由落体；运动研究；教学设计

一、设计思路

本节内容是新教材增加的内容，教学目标的重点是突出对过程与方法、情感态度与价值观两方面目标的落实。教材以文字叙述的方式展示了伽利略对自由落体运动研究的全过程，没有提供教师可以演示的实验，很难达到课程标准要求的目标。为了突破本节内容的难点，教师自制实验教具，选用铝合金轨道做斜面能保证小球做直线运动；轨道上刻上刻度测量小球运动的位移，两个光电门用来测量小球运动的时间，用excel表格处理数据，如果位移与时间的二次方成正比，即可证明小球沿斜面的运动为初速度为零的匀加速直线运动，不断增大斜面的倾角，结论依然成立，最后合理外推到斜面倾角为九十度的情况，可得到自由落体运动的规律。

二、教学目标

（一）知识与技能

1. 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。

2.了解伽利略研究自由落体运动的探究史。

（二）过程与方法

1.经历伽利略对自由落体运动的研究方法，感悟科学探究的方法。

2.培养学生数学推理和处理数据的能力。

（三）情感、态度与价值观

1.激发学生学习伽利略敢于向权威挑战，善于观察思考，知难而进的优秀品质。

2.培养学生耐心细致的意志品质，创新思想和互相协作精神。

三、重点、难点

1.教学重点

通过重现重大发现的历史过程，让学生身临其境探究伽利略对自由落体运动研究的实验，学习其科学思维方法和巧妙的实验构思。

2.教学难点

（1）当无法验证自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动时，如何引导学生巧妙设计斜面实验间接验证。

四、教学资源

1.分组实验器材：刻度尺、手表

2.演示实验器材：铝合金轨道、小球、光电门传感器两个、数据采集器一个、电脑、投影仪，ppt 课件

五、教学流程

观看视频资料→引入要研究的问题→亚里士多德的观点→逻辑推理→伽利略的观点→得出结论→提出新的问题→猜想→设计方案→实验验证→合理外推→分析、论证→

总结方法

六、教学过程

（一）观看录像，引入新课

1.录像内容：采访不同人群，重物体与轻物体哪个下落快？大多数人认为重物体下落快，引入亚里士多德的观点。

2.教师指出：轻物体比重物体下落慢是由于空气阻力影响，但使人误以为“重物比轻物下落得快”。这正是统治人们思想两千多年的亚里士多德的观点。

（二）逻辑推理

设大石头下落的速度为8，小石头下落的速度为4，捆在一起，大石头被小石头拖着会变慢，系统速度应小于8；但总重量比大石头还重，故系统速度应大于8，自相矛盾。因为只有一种可能：重物和轻物应该下落得一样快。

（三）猜想

落体运动应该是最简单的变速运动。猜想有v∝x和v∝t两种可能性，但经过推理只有v∝t成立。但当时无法验证v∝t，利用数学推理得到新的猜想x∝t2

如果能够用实验验证x∝t2，则自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动。

（四）设计方案，实验验证。

教师：根据上述猜想，应怎样验证？

学生：

教师：能否设计实验直接验证v∝t呢？

学生：

教师：在当时实验条件下，没有测量瞬时速度的仪器。当我们无法直接验证时，该怎么办？

学生：

教师：引导学生推理：将速度与时间的关系转化为位移与时间的关系

学生：分组实验:两人一组，用米尺测量钩码做落体运 动时下落的位移，手表测量对应的时间，验证位移与时间的关系。

教师：在做实验的过程中遇到了什么困难？

学生：

教师：时间不容易测量的原因是什么？

学生：

教师：如果在竖直面内增大位移，下落的时间仍然不容易测量。

学生：分别计算物体下落1米和5米所用的时间。

教师：竖直面内时间难以测量的原因是加速度太大（约等于重力加速度），增大距离不可行，如何延长运动的时间呢？

学生：

教师：介绍伽利略利用斜面“冲淡”重力的巧妙构思。

教师：展示自制教具，介绍实验原理和数据处理方法 （excel表格自动处理）

演示实验：让铝小球沿铝合金轨道做成的斜面滚下，用光电门传感器测量六组位移对应的时间。

教师：将六组时间粘贴到excel表格里，自动算出x/t2的值。

学生：观察表格中的数据。得出初步结论：x/t2的值接近相等，即x∝t2成立。

教师：增大斜面倾角，重复上面的步骤。得到什么结论？

学生：

教师：伽利略为了验证上述规律，做了上百次的实验，于是得出结论：小球沿斜面的运动是匀加速直线运动。且斜面倾斜角越大，小球加速度越大。

教师：小球沿斜面的运动毕竟不是自由落体运动，如何得到自由落体的规律呢？

学生：

教师：x/t2的值增大有没有限度？最大值会出现在哪种情况下？

学生：

教师：总结得出自由落体运动。

（五）分析论证

教师：在现实生活中我们一般看到的是重物体比轻物体下落快，这是什么原因？

学生：

教师：伽利略说，“在科学研究中，懂得忽略什么，有时与懂得重视什么同等重要”。亚里士多德只看到了落体运动的表面现象，伽利略透过空气阻力看到了落体运动的本质。

（六）总结伽利略的研究方法

观察现象→提出问题→猜想与假设→逻辑推理→实验验证→分析、论证

教师：伽利略在研究运动的过程中，创造了一套对近代科学发展极为有益的科学方法，这些方法的核心就是将逻辑推理与实验验证和谐地结合起来了，从而发展了人类的思维方式和研究方法，从伽利略开始，大师辈出，经典如云，近代科学的大门打开了。