伽利略對自由落體運動的研究.doc

北京師范大學(xué)教學(xué)實習(xí)教案（注：須于上課前二日寫好）院/系 物理學(xué)系專業(yè)物理學(xué) 實習(xí)生姓名路東磊學(xué)號0710150074院系指導(dǎo)教師李多 實習(xí)學(xué)校指導(dǎo)教師雷正環(huán)老師 原任課教師雷正環(huán)老師 2010年 10 月 14 日 (星期 二 ) 第 一、二、三 節(jié)課 實習(xí)成績 （本人本次實習(xí)第 4 個教案）實習(xí)學(xué)校北京師范大學(xué)燕化附屬中學(xué)實習(xí)班級高一 (6)班實習(xí)科目物理教學(xué)課題伽利略對自由落體運動的研究所用教材教材名稱：物理第1冊，第2 章6節(jié)4549頁出版社：人民教育出版社教學(xué)目標(biāo)知識與及技能：1、了解伽利略研究自由落體運動的歷史；2、了解伽利略研究自由落體運動的科學(xué)方法和巧妙的實驗構(gòu)思；3、理解任何猜想和假說都必須要有實驗驗證。過程與方法：1、學(xué)習(xí)伽利略的科學(xué)方法；2、讓學(xué)生初步體會抽象思維、提出假說、科學(xué)實驗是進行科學(xué)研究的重要思路和方法。情感態(tài)度與價值觀：1、學(xué)習(xí)科學(xué)家們對權(quán)威敢于質(zhì)疑的勇氣；2、學(xué)習(xí)科學(xué)家們科學(xué)研究的執(zhí)著精神。教學(xué)重點了解探索過程，明確探索的步驟，同時了解實驗及科學(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)方法教學(xué)難點1、伽利略的驗證性實驗的設(shè)計；2、伽利略的理想外推。課時安排45分鐘教學(xué)用具PPT，紙張（一整張和半張）教學(xué)方法講解、演示、學(xué)生討論、提問教學(xué)過程及內(nèi)容【舊識回顧與新課引入】教師：同學(xué)們，在第五節(jié)里我們學(xué)習(xí)了自由落體運動，知道了自由落體運動是初速度為0的勻加速直線運動，現(xiàn)在我們來回顧一下自由落體運動的規(guī)律?！咎釂枌W(xué)生】 什么是自由落體運動？自由落體運動的速度公式、位移公式、推論？現(xiàn)在我們學(xué)起來感覺自由落體運動是一個很簡單的運動過程，但是就算是得出這么一個簡單規(guī)律的過程也并不簡單，事實上，人們從開始研究這個問題到得出“自由落體運動是初速度為0的勻加速直線運動”這一結(jié)論經(jīng)歷了近兩千年。為什么對自由落體運動的研究花費了近兩千年的時間？又是誰用什么樣的方法把將這樣的運動過程以這么一種簡單的形式呈現(xiàn)在我們的面前？通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)我們就能夠解答這樣的問題?！景鍟旱诹?jié) 伽利略對自由落體運動的研究】【新課教學(xué)】 一、綿延兩千年的錯誤教師：前面已經(jīng)說到，人們對自由落體運動的研究經(jīng)歷了近兩千年，首先研究這個問題的，大概就是亞里士多德了。亞里士多德（前384前322）：古希臘的思想家、教育家、哲學(xué)家、“百科全書式”的科學(xué)家。他學(xué)識淵博、著作頗豐。至少撰寫了170種著作，流傳下來的也有47種。恩格斯評價說：最博學(xué)的人。馬克思評價說：古代最偉大的思想家。他觀察平常生活中的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，石頭比樹葉下落得快，蘋果比蘋果葉下落得快于是，他得到了一個結(jié)論：重的物體比輕的物體下落得快。現(xiàn)在，我們都已經(jīng)知道了這個結(jié)論是錯誤的，而且很容易驗證。但是這個錯誤的觀點卻統(tǒng)治人們的思想兩千年，16世紀(jì)末伽利略對此表示了懷疑?！狙菔尽恳徽麖埣埡桶霃埣?，整張紙展開平放，半張紙揉成團，從同一高度同時下落。半張的遠比整張的下落得快。教師：我們看到質(zhì)量輕的反而下落得快，這樣我們就從實驗上很簡單地就證明了亞里士多德觀點的錯誤，那么為什么這個錯誤的觀點卻統(tǒng)治了人們的思想近兩千年？大家討論一下?！咎釂枌W(xué)生他們的想法或者討論的結(jié)果】學(xué)生可能回答：因為亞里士多德很偉大，沒人懷疑他會錯；因為這個結(jié)論所說的跟看到的事實一樣。教師對學(xué)生予以肯定，并總結(jié)學(xué)生的回答：通過同學(xué)們的回答，我們能夠知道亞里士多德的這個錯誤觀點之所以能兩千年來沒被推翻的原因有兩條：1、亞里士多德的權(quán)威；2、亞里士多德的這個觀點是從觀察中得來的，符合人們的常識。教師：由此可見：不能夠迷信權(quán)威；生活中看到的未必是某件事情的全部規(guī)律。教師：我還要說明一點，雖然亞里士多德的著作或觀點有一些錯誤存在，但是這些錯誤并不能掩蓋他的成就，我們要正確的看待他的成就和錯誤。二、邏輯的力量教師：我們用一張半紙證明了“重物比輕物下落得快”這個觀點的錯誤，而伽利略還從邏輯上證明了該觀點的錯誤。伽利略：全名伽利略伽利萊，564年伽利略生于意大利的比薩城，是文藝復(fù)興后期近代實驗科學(xué)的創(chuàng)始人。在研究工作中，開科學(xué)實驗之先河，并通過大量的觀察和實驗總結(jié)出了慣性定律、自由落體運動規(guī)律和相對性原理，發(fā)現(xiàn)了單擺振動的等時性原理；用自制的33倍望遠鏡觀察天象，發(fā)現(xiàn)了一系列令人震驚的天文現(xiàn)象。根據(jù)亞里士多德的觀點，一塊大的石頭要比一塊小的石頭下落速度大。伽利略假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，當(dāng)把兩個石頭捆在一起時，大石頭會被下落慢的小石頭拖著，使整體速度小于8；但是兩個石頭捆在一起總的重量比大石頭還要大，那它們下落的速度就比8還要大。這樣，“重物比輕物下落得快”就自相矛盾，說明亞里士多德是錯誤的。既然“重物比輕物下落得快”是錯誤的，那么實際情況是什么樣的呢？伽利略認為：重物和輕物下落得同樣快。從伽利略指出“重物和輕物下落得同樣快” 那時起，人們的思想觀教學(xué)過程及內(nèi)容念就開始發(fā)生變化。 三、猜想與假說 教師：伽利略就這樣很巧妙地得出“重物和輕物下落得同樣快”這個結(jié)論，在很多人看來他的工作就算完成了。但是伽利略并不這么想，他要進一步研究自由落體運動的規(guī)律，他要搞清楚自由落體到底是個什么樣的運動。那么他是怎么研究的呢？他首先面臨的是概念上的問題，因為那時候連速度的明確定義都沒有，因此他必須先建立描述運動所需要的概念，比如平均速度、瞬時速度和加速度等就是伽利略首先建立起來的。伽利略相信，自然界的規(guī)律是簡潔明了的。因此，他認為落體運動是一種最簡單的變速運動，而最簡單的變速運動應(yīng)該是速度均勻變化的。那么怎樣才算是均勻呢？伽利略考慮了兩種可能：一種是速度的變化對時間來說是均勻的，比如每過1s，速度變化2m/s；另一種情況是速度的變化對位移來說是均勻的，比如每下落1m，速度變化2m/s。四、實驗驗證有了這樣的猜想之后，伽利略先是數(shù)學(xué)推導(dǎo)，他發(fā)現(xiàn)如果速度的變化對位移來說是均勻的，那么將會推導(dǎo)出十分復(fù)雜的結(jié)論，這與他認為的“自然界的規(guī)律是簡潔明了的”是相違背的。因此，他就驗證“速度的變化對時間來說是均勻的”這種情況是否正確。他通過數(shù)學(xué)運算得出這樣的一個結(jié)論：如果物體的初速度為0，而且速度隨時間的變化是均勻的，即vt，它通過的位移就與時間的二次方成正比，即xt2?！具@里可以讓學(xué)生或者老師自己推導(dǎo)一下】這樣，只要測出通過不同位移所用的時間就可以檢驗物體的速度是否隨時間均勻變化。比如，通過位移x所用時間為t，那么他只需要檢驗通過4x用的時間是不是2t就能檢驗物體的速度是否隨時間均勻變化。但是要驗證還有一個困難。我們知道，物體下落時很快的，而當(dāng)時的計時工具很落后，只能靠滴水計時，滴水是不能夠測量自由落體運動所用時間的。那怎么辦呢？別擔(dān)心，伽利略是很聰明的，他想出了一個很巧妙的方法。他讓銅球沿阻力很小的斜面滾下，小球在斜面上運動的加速度要比自由下落小得多，用的時間也就長得多，測量起來也就相對容易得多。伽利略做了很多次實驗，換了不同質(zhì)量的銅球，讓小球從不同的高度滾下，又改變斜面的傾角，最后他得出：小球沿斜面滾下的運動是勻加速直線運動，加速度只與斜面傾角有關(guān)，與小球質(zhì)量、開始滾下時的高度都無關(guān)，而且傾角越大加速度越大。但是，小球沿斜面的運動畢竟不是落體運動，還是不知道落體運動的規(guī)律是什么樣的??？你研究了半天跟落體運動沒關(guān)系，你這不是白忙活嗎？這時候，又體現(xiàn)出了伽利略的聰明之處，他將在斜面上得到的結(jié)論做了合理的外推。斜面上得到的結(jié)論不是傾角越大，加速度越大嗎？如果傾角增大到90，這不就是落體運動嗎？至此，伽利略就得出了“自由落體運動是初速為0的勻加速直線運動”的結(jié)論。盡管伽利略的邏輯和思維都讓人十分欽佩，但是還是有人會問：為什么日常生活中還是會見到重的物體下落得快，輕的物體下落得慢呢？其實咱們同學(xué)都已經(jīng)知道了，這是因為空氣阻力的存在，當(dāng)然伽利略也是這么回答的。當(dāng)空氣阻力的影響很小時，我們可以忽略空氣阻力，將落體運動看做自由落體運動。伽利略還特別指出，在科學(xué)研究中，懂得忽略什么有時與懂得重視什么同等重要。五、伽利略的科學(xué)方法知道了伽利略的探究過程，我們回頭來看一下他所用的科學(xué)研究方法?！皩ΜF(xiàn)象的一般觀察” “提出假設(shè)” “運用邏輯（包括數(shù)學(xué)）得出推論” “通過實驗對推論進行驗證” “對假說進行修正和推廣”。伽利略的科學(xué)思想方法的核心是把實驗和邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推演）結(jié)合起來，以伽利略教學(xué)過程及內(nèi)容為開端，近代科學(xué)的大門就此打開。 伽利略就是以這樣的科學(xué)方法得出了自由落體運動的規(guī)律，同時打開了近代科學(xué)的大門。其實在伽利略之前也有人懷疑過亞里士多德的錯誤，但是從來沒有人像他這樣以這種科學(xué)方法執(zhí)著地研究。如果伽利略在證明了亞里士多德的錯誤之后就停步不前了，那么是誰發(fā)現(xiàn)的自由落體運動的規(guī)律就不得而知了。伽利略之所以能夠成功，除了他的科學(xué)方法之外與他的執(zhí)著的科學(xué)研究精神也是分不開的?！拘〗Y(jié)】【提問學(xué)生】學(xué)完了這一課，你覺得有什么收獲？ 有什么想法？總結(jié)學(xué)生的回答。教師：這兒有兩段話我們共同來看一下。德國著名物理學(xué)家玻恩說：“我榮獲1954年的諾貝爾獎，與其說是因為我所發(fā)表的著作里包括了一個自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說是因為那里面包括一個關(guān)于自然現(xiàn)象的新思想方法基礎(chǔ)的發(fā)現(xiàn)?！?伽利略已死去三百多年，他所發(fā)現(xiàn)的自由落體規(guī)律在物理學(xué)知識的長河中所占的比例愈來愈小，但他研究問題所創(chuàng)造的一套科學(xué)方法，卻不斷為后人所繼承和發(fā)揚 可見，一個科學(xué)的方法往往比一個結(jié)論更為重要。學(xué)習(xí)了伽利略的科學(xué)方法之后，我們來看一看伽利略的實驗。例1：伽利略通過研究自由落體和物塊沿光滑斜面運動，首次發(fā)現(xiàn)了勻加速運動的規(guī)律。伽利略假設(shè)物塊沿斜面運動與物塊自由下落遵從同樣的法則，他在斜面上用刻度表示物塊滑下的路程，并測出物塊通過相應(yīng)路程的時間，然后用圖線表示整個運動過程，如圖所示。圖中OA表示測得的時間，矩形OAED的面積表示該時間內(nèi)物塊經(jīng)過的路程，則圖中OD的長度表示 OA時間段的平均速度 。P為DE的中點，連接OP且延長交AE的延長線于B，則AB的長度表示 A點的瞬時速度 。例2：滴水法測重力加速度的過程是這樣的：讓水龍頭的水一滴一滴地滴在其正下方的盤子里，調(diào)整水龍頭，讓前一滴水滴到盤子而聽到聲音時，后一滴水恰好離開水龍頭。從第1次聽到水擊盤聲時開始計時，測出n次聽到水擊盤聲的總時間為t，用刻度尺量出水龍頭到盤子的高度差為h，即可算出重力加速度。設(shè)人耳能區(qū)別兩個聲音的時間間隔為0.1s，聲速為340m/s，則（ ）A. 水龍頭距人耳的距離至少為34m B. 水龍頭距盤子的距離至少為34mC. 重力加速度的計算式為 D. 重力加速度的計算式為解析：只要相鄰兩滴水滴下的時間間隔超過0.1s，人耳就能分辨出兩滴水的擊盤聲，而與水龍頭距人耳的距離無關(guān)。在0.1s內(nèi)，水滴下落的距離。所以，水龍頭距人耳的距離只要超過0.05m就行。兩滴水的時間間隔為，所以，選D。例3：離地3m高的屋檐口有一個水滴由靜止滴下，在屋檐口正下方有一扇窗戶，窗戶的高度為1m，窗戶的上邊緣離屋檐口的距離為0.8m，則該水滴完全通過窗戶所用的時間為多少？（g=10m/s） 解：方法一、t2-t1；方法二、（v2-v1）/g；其它。 板書設(shè)計第6節(jié) 伽利略對自由落體運動的研究一、綿延兩千年的錯誤 五、實驗驗證 亞里士多德：重的物體下落得快 小球沿斜面滾下的運動是勻加速直線二、邏輯的力量 運動，加速度只與斜面傾角有關(guān)，與 伽利略：輕、重物體下落得一樣快 小球質(zhì)量、開始滾下時的高度都無關(guān)，三、猜想與假說 而且傾角越大加速度越大 落體運動的物體速度均勻變化 六、合理外推 （1）vx 自由落體運動是初速為0的勻加速 （2）vt