人教版高中物理必修1教案：2.6《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》

2.6伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究教材分析本教學(xué)設(shè)計(jì)選自人教版新課標(biāo)高中物理教材第二章第六節(jié)伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究，本節(jié)介紹亞里士多德，伽利略的觀點(diǎn)，讓學(xué)生感受科學(xué)的進(jìn)步和不斷的發(fā)展。并對(duì)伽利略的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的探究，使學(xué)生更加深刻的理解和領(lǐng)會(huì)科學(xué)探究思想和方法。教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能 1了解落體運(yùn)動(dòng)研究的史實(shí)，了解邏輯推理的特色；2理解任何猜想和假說(shuō)都須要有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的重要性。過(guò)程與方法1讓學(xué)生初步體會(huì)抽象思維、提出假說(shuō)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行科學(xué)研究的重要思路和方法；2通過(guò)史實(shí)了解伽利略研究自由落體規(guī)律的過(guò)程，體會(huì)其推理方法的奧妙，同時(shí)了解猜想的必要性，感受探究規(guī)律的幾個(gè)必要過(guò)程和科學(xué)方法的重要性，了解體會(huì)一些科學(xué)的方法。情感態(tài)度與價(jià)值觀1滲透研究自然規(guī)律的科學(xué)方法；2通過(guò)了解史實(shí)能培養(yǎng)同學(xué)們的意志和科學(xué)的方法觀，避免盲目和急功近利思想，提高自己的認(rèn)識(shí)觀；3經(jīng)歷伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過(guò)程，體驗(yàn)數(shù)學(xué)在研究物理問(wèn)題中的重要性。體會(huì)人類對(duì)客觀世界發(fā)現(xiàn)之旅的樂(lè)趣。教學(xué)重難點(diǎn)重點(diǎn) ：了解探索過(guò)程，明確探索的步驟，同時(shí)了解實(shí)驗(yàn)及科學(xué)的思維方法在探究中的重要作用，從中提煉自己的學(xué)習(xí)方法。難點(diǎn)：“觀念思考推理猜想驗(yàn)證”是本節(jié)的重點(diǎn)思路，也是培養(yǎng)良好思維習(xí)慣的重要參考。教學(xué)準(zhǔn)備1、多媒體課件；2、學(xué)生完成相應(yīng)預(yù)習(xí)內(nèi)容；3、學(xué)生課前查閱相關(guān)背景資料，搜集有關(guān)資料。教學(xué)過(guò)程【新課導(dǎo)入】我們用手拿一個(gè)小球和一張紙片，放開后，小球和紙片從靜止開始下落.我們可以看到，小球先落地，紙片后落地。公元前4世紀(jì)，古希臘偉大的思想家、哲學(xué)家亞里士多德（Arestotle）根據(jù)與我們類似的觀察，直接得出結(jié)論：重的物體比輕的物體下落得快。亞里士多德的論斷流傳了近2 000年，直到16世紀(jì)，在意大利的比薩斜塔上，伽利略做了著名的兩個(gè)球同時(shí)落地的實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)輕重不同的小球同時(shí)落地的聲音，是那樣的清脆美妙，又是那樣的發(fā)聾振聵！它動(dòng)搖了人們頭腦中的舊觀念，開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理之先河，將近代物理學(xué)以至近代科學(xué)推上了歷史的舞臺(tái)。今天這節(jié)課我們就一起來(lái)經(jīng)歷伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過(guò)程，領(lǐng)悟這位大師的科學(xué)精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鑒?！驹O(shè)計(jì)意圖】從生活現(xiàn)象出發(fā)，讓同學(xué)們感受到物理知識(shí)遍布生活各處，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情?！拘抡n教學(xué)】一、綿延兩千年的錯(cuò)誤落體的運(yùn)動(dòng)是司空見慣的，但人類對(duì)它的認(rèn)識(shí)卻經(jīng)歷了差不多兩千年的時(shí)間。愛因斯坦曾經(jīng)頗為感慨地說(shuō)：“有一個(gè)基本問(wèn)題，幾千年來(lái)都因?yàn)樗珡?fù)雜而含糊不清，這就是運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題?！弊钤缪芯窟\(yùn)動(dòng)問(wèn)題的，大概要算古希臘學(xué)者亞里士多德了。是什么因素決定一個(gè)下落物體的快慢呢？平常觀察到的事實(shí)是，一塊石頭比一片樹葉落得快些公元前，人們對(duì)物體下落的研究很少，憑著觀察認(rèn)為重的物體比輕的物體下落得快。當(dāng)時(shí)，著名的思想家亞里士多德（Aristotle，前384前322）經(jīng)過(guò)了觀察和總結(jié)認(rèn)為“物體下落的速度與重力成正比”，這一觀點(diǎn)正好應(yīng)和了人們潛意識(shí)里的想法；同時(shí)，它又是偉大的亞里士多德提出的論斷，人們深信不疑。從那以后，人們判斷物體下落的快慢，甚至給孩子們上課時(shí)一直堅(jiān)持這一觀點(diǎn)，這一觀點(diǎn)一直延續(xù)了2019多年，從沒(méi)有人對(duì)它提出異議，大家都奉為經(jīng)典。亞里士多德的觀點(diǎn)：物體越重，下落越快?！窘涣髋c討論】提出問(wèn)題：為什么會(huì)有錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)呢？學(xué)生思考問(wèn)題，交流體會(huì)。生：錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的根源在于不注意探索事物的本質(zhì)，思考不求甚解?！驹O(shè)計(jì)意圖】從亞里士多德的觀點(diǎn)入手，引導(dǎo)學(xué)生分析其錯(cuò)誤的原因。二、邏輯的力量16世紀(jì)末，意大利比薩大學(xué)的青年學(xué)者伽利略（GalileoGalilei，15641642）對(duì)亞里士多德的論斷表示了懷疑。后來(lái)，他在1638年出版的兩種新科學(xué)的對(duì)話一書中對(duì)此做出了評(píng)論。根據(jù)亞里士多德的論斷，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大。假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，當(dāng)我們把兩塊石頭捆在一起時(shí)，大石頭會(huì)被小石頭拖著而減慢，結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)的下落速度應(yīng)該小于8；但兩塊石頭捆在一起，總的重量比大石頭還要重，因此整個(gè)系統(tǒng)下落的速度要比8還大。這樣，就從“重物比輕物落得快”的前提推斷出了互相矛盾的結(jié)論，這使亞里士多德的理論陷入了困境。為了擺脫這種困境，伽利略認(rèn)為只有一種可能性：重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快。（傳說(shuō)伽利略在比薩斜塔上做過(guò)落體實(shí)驗(yàn)，但后來(lái)又被嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目甲C否定了。盡管如此，來(lái)自世界各地的人們都要前往參觀，他們把這座古塔看作伽利略的紀(jì)念碑）。問(wèn)題：伽利略是怎樣論證亞里士多德觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的？猜想：既然物體下落過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況與物體質(zhì)量無(wú)關(guān)，那么為什么在現(xiàn)實(shí)生活中，不同物體的落體運(yùn)動(dòng)，下落快慢不同呢？我們能否猜想是由于空氣阻力的作用造成的呢？如果沒(méi)有空氣阻力將會(huì)怎樣呢？學(xué)生討論后回答。【設(shè)計(jì)意圖】引導(dǎo)學(xué)生一起分析物理下落快慢的影響因素。三、猜想與假說(shuō)伽利略并沒(méi)有就此止步，他要進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。【困難一：概念】伽利略首先面臨的困難是概念上的，因?yàn)槟菚r(shí)人們連速度的明確定義都沒(méi)有。因此，對(duì)伽利略來(lái)說(shuō)，必須首先建立描述運(yùn)動(dòng)所需的概念。此前我們所學(xué)的概念，諸如平均速度、瞬時(shí)速度以及加速度等，就是伽利略首先建立起來(lái)的。愛因斯坦有一句很著名的話：“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題有時(shí)僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技巧，而提出新的問(wèn)題、新的可能性，從新的角度去看舊的問(wèn)題，卻需要?jiǎng)?chuàng)造性的想像力，而且標(biāo)志著科學(xué)上的真正進(jìn)步?！辟だ韵嘈牛匀唤缡呛?jiǎn)單的，自然界的規(guī)律也是簡(jiǎn)單的。他從這個(gè)信念出發(fā)，猜想落體也一定是一種最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng)，而最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng)，它的速度應(yīng)該是均勻變化的。但是，速度的變化怎樣才算“均勻”呢？他考慮了兩種可能：一種是速度的變化對(duì)時(shí)間來(lái)說(shuō)是均勻的，即v與t成正比，例如，每過(guò)1s，速度的變化量都是2m/s；另一種是速度的變化對(duì)位移來(lái)說(shuō)是均勻的，即v與x成正比，例如，每下落1m，速度的變化量都是2m/s?！驹O(shè)計(jì)意圖】提出猜想和假設(shè)，引發(fā)學(xué)生深入思考。四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后來(lái)發(fā)現(xiàn)，如果v與x成正比，將會(huì)推導(dǎo)出荒謬的結(jié)論。所以，伽利略開始以實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)v與t成正比的猜想是否是真實(shí)的?！纠щy二：瞬時(shí)速度不便于測(cè)量】在伽利略的時(shí)代，技術(shù)不夠發(fā)達(dá)，無(wú)法直接測(cè)定瞬時(shí)速度，所以也就不能直接得到速度的變化規(guī)律。但是，伽利略通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算得出結(jié)論：如果物體的初速度為0，而且速度隨時(shí)間的變化是均勻的，即vt，它通過(guò)的位移就與所用時(shí)間的二次方成正比，即xt2（學(xué)過(guò)前面的幾節(jié)，我們也能進(jìn)行這樣的數(shù)學(xué)推算了）。這樣，只要測(cè)出物體通過(guò)不同位移所用的時(shí)間，就可以驗(yàn)證這個(gè)物體的速度是否隨時(shí)間均勻變化。伽利略比他的前人更偉大，就在于他首先采用了以實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)猜想和假設(shè)的科學(xué)方法。在他之前，學(xué)者們總是通過(guò)思辨性的論戰(zhàn)來(lái)決定誰(shuí)是誰(shuí)非?！纠щy三：對(duì)應(yīng)位移的時(shí)間不便于測(cè)量】但是，落體下落得很快，而當(dāng)時(shí)只能靠滴水計(jì)時(shí)，這樣的計(jì)時(shí)工具還是不能測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)所用的時(shí)間。伽利略采用了一個(gè)巧妙的方法，用來(lái)“沖淡”重力。他讓銅球沿阻力很小的斜面滾下（圖2.62），而小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的加速度要比它豎直下落的加速度小得多，所用時(shí)間長(zhǎng)得多，所以容易測(cè)量。伽利略做了上百次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，小球沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)確是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，換用不同質(zhì)量的小球，從不同高度開始滾動(dòng)，只要斜面的傾角一定，小球的加速度都是相同的。不斷增大斜面的傾角，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得知小球的加速度隨斜面傾角的增大而變大?！纠щy四：合理外推】小球沿斜面向下的運(yùn)動(dòng)并不是落體運(yùn)動(dòng)。但是，伽利略將上述結(jié)果做了合理的外推：當(dāng)斜面傾角很大時(shí)，小球的運(yùn)動(dòng)不是跟落體運(yùn)動(dòng)差不多了嗎？如果斜面的傾角增大到90，這時(shí)小球不就是自由落體運(yùn)動(dòng)了嗎（圖2.63）？伽利略認(rèn)為，這時(shí)小球仍然會(huì)保持勻加速運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，而且所有物體下落時(shí)的加速度都是一樣的！后人在用伽利略的器材重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：銅球沿斜面滾下，如果斜面傾角超過(guò)5就很難準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。伽利略把他的結(jié)論外推至90是需要很大勇氣的。后來(lái)，他的外推被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了。伽利略的邏輯和實(shí)驗(yàn)自然使人欽佩，但是人們又疑惑地問(wèn)道：為什么日常生活中常會(huì)見到，較重的物體下落得比較快呢？伽利略把原因歸之于空氣阻力對(duì)不同物體的不同影響。他寫道：“如果完全排除空氣的阻力，那么，所有物體將下落得同樣快?！边@時(shí)，落體運(yùn)動(dòng)也就真正成為自由落體運(yùn)動(dòng)了。為此，伽利略特別指出，在科學(xué)研究中，懂得忽略什么，有時(shí)與懂得重視什么同等重要?！驹O(shè)計(jì)意圖】通過(guò)對(duì)伽利略實(shí)驗(yàn)的分析研究，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)探究方法。五、伽利略的科學(xué)方法 伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究，不僅確立了許多用于描述運(yùn)動(dòng)的基本概念，而且創(chuàng)造了一套對(duì)近代科學(xué)的發(fā)展極為有益的科學(xué)方法，或者說(shuō)給出了科學(xué)研究過(guò)程的基本要素。這些要素包含以下幾點(diǎn)：對(duì)現(xiàn)象一般觀察提出猜想運(yùn)用邏輯（包括數(shù)學(xué)）得出結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)推論進(jìn)行檢驗(yàn)對(duì)假說(shuō)進(jìn)行修正和推廣。伽利略的科學(xué)思想方法的核心是把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推理）和諧地結(jié)合起來(lái)，從而有力地推進(jìn)了人類科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展.伽利略科學(xué)思想方法的核心是把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推演）和諧地結(jié)合起來(lái)，從而有力地推進(jìn)了人類科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展。伽利略之前的科學(xué)躑躅于泥途荒灘，因而千年徘徊。從伽利略開始，大師輩出，經(jīng)典如云，近代科學(xué)的大門從此打開了。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是檢驗(yàn)理論正確與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)。任何結(jié)論和猜想都必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，否則不成理論，猜想或假說(shuō)只有通過(guò)驗(yàn)證才會(huì)成為理論。所謂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證就是任何人，在理論條件下去操作都能到得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它具有任意性，但不是無(wú)條件的，實(shí)驗(yàn)是在一定條件下的驗(yàn)證，而與實(shí)際有區(qū)別?！驹O(shè)計(jì)意圖】總結(jié)伽利略科學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受科學(xué)探究精神和方法。六超 越 伽 利 略 采用