伽利略对自由落体运动的研究

《伽利略对自由落体运动的研究》教案

一、课标要求： 1、教学重点：

通过重现重大发现的历史过程，让学生亲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；

（2）引导学生在实验过程中怎样进行合理猜想、数学推理、合理外推等重要方法。

3、课时安排：1课时 二、教材分析：

本节内容属于《普通高中物理课程标准》中共同必须模块Ⅰ的内容，是以往教材所没有的。学生在学习本节课内容之前，已经学习了自由落体运动的定义和利用打点计时器打出的纸带来验证“自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动”。新教材专辟这一节，并无重复之嫌。目的是让学生深刻体会到在当时实验设备不精确的条件下伽利略如何提出问题，遇到什么问题，如何突破困难，使学生身临其境，领悟其科学精神，物理思想和研究方法，对提高学生的科学素养具有重要的意义。 三、设计思路：

本节课内容通俗易懂，课前可由学生自主学习。上课时使学生融入伽利略的角色，如何指出亚里士多德的逻辑错误，如何提出自己猜想再利用斜面实验间接验证加以外推。教师以平等地位参与讨论，发表意见。由于当斜面的倾角超过50时便很难计时，此时可用磁控电子秒表代替。分别读出相应的s、t，建立s-t2坐标系描出图象，得知斜面倾角一定，加速度一定。通过这节课的探究，培养学生创新能力，提高其科学素养。 四、教学目标： （一）教学目标：

1、了解伽利略对自由落体运动的研究思路和方法； 2、能够合理设计实验，并将实验数据用图线法处理。 （二）过程和方法：

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、分组进行科学探究活动，完成实验操作； 3、培养学生进行数学推理和图象处理数据的能力。

（三）情感目标：

1、激发了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的精神。 五、教学过程：

（一）复习旧知，引出新课

1、教师提问：我们在上一节课已经学习了自由落体运动知道： （1）定义？（物体只在重力作用下从静止开始下落的运动） （2）实质？（初速度为0的匀加速直线运动）

我们都知道自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动，还有它的一些相关运动规律。但是，我们的先人们对自由落体运动的研究却是非常曲折的过程，他们是通过大量的实验和客服重重的困难才出这个结论的，而得出这个结论的就是我们物理学上一位非常伟大的科学家——伽利略，这就是我们今天要学习的：伽利略对自由落体运动的研究。

（二）两位科学学对自由落体运动的观点 亚里士多德的观点：重的物体比轻的物体下落得快，也就是说自由落体的快慢跟物体的重量有关。

伽利略的观点：重的与轻的物体下落得一样快。

现在，我们也来做实验验证一下亚里士多德的观点是否正确？

实验一：拿一张没有折叠的纸和一块粉笔在同一高度同一时间下落；粉笔先落地。 这好像跟亚里士多德的观点并不矛盾，要是我把纸揉成一团呢？

实验二：让揉成一团的纸和粉笔块在同一高度同一时间让它做自由落体运动；两物体同时落地。这就否定了亚里士多德的观点。而到底是为什么呢？我们先来看看伽利略是怎么验证的，然后再反过来解释这个问题。 （三）逻辑推理，提出猜想

亚里士多德的论断提出来后，一直到两千年后，才有人对他的观点表示怀疑，那个人就是伽利略。伽利略他观察了一些自由下落的实例，再根据亚里士多德的论断（重的石头比轻的石头下落得快）进行逻辑推理：假如重的石头下落速度是8，小的下落速度是4，要是把它们绑在一起，它们之间肯定相互制约，相互影响，那么绑在一起后速度应该小于8，但它们总的质量又不其中任何一个要大，整个系统的速度应该大于8，这就使“重的物体比轻的物体下落得快”相矛盾了。而伽利略为了解释这种现象，他就大胆的认为：重物与轻物下落得一样快。并且做了实验证明，相信大家还记得《两个铁球同时着地》这篇课文吧，这就是伽利略证明重物与轻物下落得一样快的实验。

（四）猜想与假说

伽利略的这一理论虽然得到证明，但他要再进一步通过实验研究自由落体运动的规律。当时，人们对运动学的了解根本还处于0阶段，伽利略要想研究它，还真是困难重重。面临的第一个困难就是概念问题，当时连速度是什么都没有明确的定义，只知道看什么东西先到达地面谁就运动得快。因此，伽利略就首先建立描述运动所需的概念。例如我们以前所学的平均速度，瞬时速度，加速度等都是那时伽利略首先建立起来的。我们物理就是以简单的规律去解释自然界比较复杂的现象，伽利略也是这么认为。他就大胆的猜想：落体也一定是一种简单的变速运动。而最简单的变速运动，就是速度是均匀变化的。但怎样才算均匀，有两种可能性：1、速度的变化对时间来说是均匀的，即速度跟时间成正比；2、速度的变化对位移来说是均匀的，即速度跟位移成正比。

（五）实验验证

因为当时的条件，位移是比较容易测量，伽利略就先对第二种猜想进行大量的实验验证，但后来发现，要是v与x成正比，将得到非常复杂的结论。所以，伽利略就放弃这种猜想，开始以实验来检验v与t成正比这个猜想。

在当时，技术并不发达，无法直接测得瞬时速度，就无法直接得到速度变化的规律。不像我们现在有高精度的仪器；也没有打点计时器，怎么办呢？伽利略就通过数学运算得出结论:如果物体的初速度为0，而且速度随时间的变化是均匀的，那它通过的位移就与所用的时间的二次方成正比。（在这里，我们

来推导一下）只要测出通过不同位移所用的时间，就可以检验这个物体的速度是否随时间而均匀变化。

但又有一个难题，落体下落得快，当时又只能用滴水计时，这样的计时工具还是不能测量自由落体运动的时间；伽利略就采用了让铜球沿阻力很小的斜面滚下来模拟自由落体运动，这样小球在斜面上运动的加速度就要比它竖直下落的加速度要小得多。模拟伽利略所做的实验，并且向同学解释其中的原理和规律。1.先让斜面的倾斜角保持一定，让同个铁球在不同高度的斜面下落，测量物体运动的时间；结果证明小球做的是匀加速直线运动；2.再改用不同质量的小球，让它从不同高度的斜面滚下，结果证明只要倾斜角不变的话，加速度都是一样的。3.不断增大倾斜角，重复上述实验，得知小球的加速度随斜面的倾角的增大而增大。

（六）对假说的修正和推广

而这个实验并不是自由落体运动，伽利略再一次对上述结果进行合理外推，要是不断增加斜面的倾斜角度，直到倾斜角为90度，这时小球的运动不就是自由落体运动了吗？并且认为小球会保持匀加速直线运动的性质，而且所有物体下落时的加速度都是一样的。

但对于生活中常见的现象，重的物体为什么比轻的下落得快，伽利略把这原因都归到空气阻力了。不同的物体受到空气阻力的影响都不相同。要是完全排除空气阻力，那么所有的物体将下落得一样快。

现在，我们就来解释我们开始做的那个实验。实验一中，因为纸张比较轻，而它与空气接触的面积比较大，受到的空气阻力不能被忽略，所以就下落得慢；实验二，虽然纸张的质量相同，但与空气接触的面积小，受到的空气阻力可以忽略，所以就下落得一样快。

伽利略还特别指出，在科学研究中，懂得忽略什么，有时比重视什么同等重要。就像我们第一章学习的质点一样，在研究物体运动时，在某些情况下，就得忽略物体的大小和体积，把它当做一个有质量的点。这就是伽利略对自由落体运动的研究过程。

（七）伽利略的科学方法

伽利略对运动的研究，不仅确立了许多用于描述运动的基本概念，而且创造了一套对近代科学的发展极为有益的方法.请同学们总结本节内容，归纳这种科学方法.

同学讨论归纳：对现象的一般观察→提出假设→运用逻辑得出推论→实验进行检验→对假设进行修正和推广→??

六、完成教学，练习巩固

板书设计

2.6 伽利略对自由落体运动的研究

一、对自由落体的两种观点

1.亚里士多德的错误观点 2.伽利略的观点

二、伽利略的逻辑推理 三、伽利略的猜想和假说

1.伽利略研究落体运动首先应解决的问题：描述运动所需的概念

2.用来描述物体运动性质的物理量：时间、位移、瞬时速度、平均速度、加速度 3.伽利略的猜想：v∝t（最后否定掉了）；v∝t 四、伽利略猜想的实验验证

1.伽利略遇到的困难和解决方案： 困难之一：无法测量瞬时速度

解决方案：改测位移与时间的关系（从静止开始做匀加速直线运动的物体s∝t2） 困难之二：没有准确的计时工具 解决方案：“冲淡重力”的斜面实验 2.合理的外推

五、伽利略的科学方法

对现象的一般观察→提出假设→运用逻辑得出推论→实验进行检验→对假设进行修正和推广