1、伽利略对自由落体运动的研究备课资源古希腊权威思想家亚里士多德（公元前384322年）曾经断言：物体从高空落下的快慢同物体的重量成正比，重者下落快，轻者下落慢。比如说，10磅重的物体落下时要比1磅重的物体落下快10倍。1800多年来，人们都把这个错误论断当作真理而信守不移。直到16世纪，伽利略（公元15641642年）才发现了这一理论在逻辑上的矛盾。伽利略说，假如一块大石头以某种速度下降，那么，按照亚里士多德的论断，一块小些的石头就会以相应慢些的速度下降。要是我们把这两块石头捆在一起，那这块重量等于两块石头重量之和的新石头，将以何种速度下降呢？如果仍按亚里士多德的论断，势必得出截然相反的两个结论
2、。一方面，新石头的下降速度应小于第一块大石头的下降速度，因为加上了一块以较慢速度下降的石头，会使第一块大石头下降的速度减缓；另一方面，新石头的下降速度又应大于第一块大石头的下降速度，因为把两块石头捆在一起，它的重量大于第一块大石头。这两个互相矛盾的结论不能同时成立，可见亚里士多德的论断是不合逻辑的。伽利略进而假定，物体下降速度与它的重量无关。如果两个物体受到的空气阻力相同，或将空气阻力略去不计，那么，两个重量不同的物体将以同样的速度下落，同时到达地面。为了证明这一观点，1589年的一天，比萨大学青年数学讲师，年方25岁的伽利略，同他的辩论对手及许多人一道来到比萨斜塔。伽利略登上塔顶，将一个重1
3、00磅和一个重1磅的铁球同时抛下。在众目睽睽之下，两个铁球出人意料地差不多是平行地一齐落到地上。面对这个无情的实验，在场观看的人个个目瞪口呆，不知所措。这个被科学界誉为“比萨斜塔实验”的美谈佳话，用事实证明，轻重不同的物体，从同一高度坠落，加速度一样，它们将同时着地，从而推翻了亚里士多德的错误论断。这就是被伽利略所证明的，现在已为人们所认识的自由落体定律。“比萨斜塔实验”作为自然科学实例，为实践是检验真理的唯一标准提供了一个生动的例证。教学目标一、知识与技能1.了解伽利略对自由落体运动的研究思路和方法。2.理解任何猜想和假说都需要有实验验证。二、过程与方法1.通过史实了解伽利略研究自由落体规律
4、的过程，体会其推理方法的奥妙。2.了解猜想的必要性，感受探究规律的几个必要过程和科学方法的重要性，了解体会一些科学的方法。三、情感、态度与价值观1.通过了解史实培养学生的意志品格和科学的方法观，避免在学习和科学研究中的盲目和急功近利思想。2.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。3.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。教学重点、难点：教学重点1.伽利略对落体问题的逻辑推理。2.伽利略的验证性实验的设计。教学难点伽利略的理想外推。教学过程：一、导入新课我们已经学习了自由落体运动，知道了物体下落的快慢与物体的质量无关。这一正确认识却经历了曲折而又漫长
5、的历史过程。这节课我们沿着科学家的足迹，看看伽利略是怎样研究自由落体运动的。板书：第六节 伽利略对自由落体运动的研究二、进行新课（一）绵延两千年的错误教师活动：引导学生阅读教材第一段，提出问题：1.亚里士多德怎样得到自由落体运动结论，他的观点是什么？学生回答：亚里士多德通过观察，在日常生活中，重的物体下落快，轻的物体下落慢。得出结论：物体下落的快慢是由它们的重量决定的。教师课件展示：亚里士多德认为物体下落的快慢由它们的重量决定的。2.亚里士多德为什么会有这种错误的认识呢？学生活动：思考问题，交流体会。师生讨论共同得出结论：没有注意探索事物的本质，思考不求甚解。（二）伽利略对自由落体运动的研究1
6、. 逻辑的力量教师活动：引导学生阅读教材第三、四段，提出问题：伽利略是怎样论证亚里士多德观点是错误的？学生活动：带着问题阅读教材，阐述自己的观点。教师课件投影展示伽利略论证亚里士多德的观点错误的方法：根据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大。假定大石头的下落速度为8，小石头的下落速度为4，当我们把两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着而减慢，结果整个系统的下落速度应该小于8；但两块石头捆在一起，总的重力比大石头还要重，因此整个系统下落的速度要比8还大。这样，就从“重物比轻物落得快”的前提推断出了互相矛盾的结论，这使亚里士多德的理论陷入了困境。为了摆脱这种困境，伽利
7、略认为只有一种可能性：重物与轻物应该下落得同样快。2. 猜想与假说教师活动：引导学生阅读教材“猜想与假说”部分，提出问题：伽利略在研究落体运动过程中遇到了哪些困难？面对这些困难，伽利略是怎样做的？他作出了大胆的科学猜想，猜想的内容是什么？学生活动：带着问题阅读教材，阐述自己的观点。课件投影：伽利略的猜想：伽利略认为，自由落体是一种最简单的变速运动。他设想，最简单的变速运动的速度应该是均匀变化的。但是，速度的变化怎样才算均匀的呢？他考虑了两种可能：一种是速度的变化对时间来说是均匀的，即经过相等的时间，速度的变化相等；另一种是速度的变化对位移来说是均匀的，即经过相等的位移，速度的变化相等。伽利略假
8、设第一种方式最简单，并把这种运动叫做匀变速运动。教师点评：科学的猜想，或者叫假说，这是对事物认识的基础，是建立概念描述规律的前提。3. 实验验证教师活动：（陈述）实验验证是检验理论正确与否的唯一标准。任何结论和猜想都必须经过实验验证，否则不成理论。猜想或假说只有通过验证才会成为理论。所谓实验验证就是任何人在理论条件下去操作都能到得实验结果，它具有任意性，但不是无条件的，实验是在一定条件下的验证，而与实际有区别的。引导学生阅读教材“实验验证”部分，提出问题：伽利略在实验过程中遇到了怎样的困难，他又是怎样克服的？学生活动：带着问题阅读教材，阐述自己的观点。指导学生阅读：（课件投影）伽利略斜面实验的
9、情况：伽利略在两种新科学的对话中说：“用一块木料制成长约12库比特、宽半库比特、厚三指的板条，在它的上面划一条比一指略宽的槽，将这个槽做得很直，打磨得很光滑，在槽上裱一层羊皮纸（也要尽可能光滑）。取一个坚硬、光滑并且很圆的铜球，放在槽中滚动，将这个木槽的一端抬高一到二库比特，使槽倾斜。就像我要讲的那样把球放在槽顶沿槽滚下，记录下降的时间。实验要重复几次，以便使测得的时间准确到两次测定的结果相差不超过一次脉搏的十分之一，进行这样的操作，肯定了我们的观察是可靠的以后，将球滚下的距离改为槽长的四分之一，测定滚下的时间，我们发现它准确地等于前者的一半。下一步，我们用另一些距离进行试验，把全长用的时间与
10、全长的二分之一、三分之二、四分之三，或者其他任何分数所用的时间相比较，像这样的实验，我们重复了整整一百次，结果总是经过的距离与时间的平方成比例，并且在各种不同坡度下进行实验，结果也都如此”4.合理外推教师活动：引导学生阅读教材“实验验证”部分，提出问题：为什么说，伽利略把他的结论外推到90需要很大勇气？教师课件展示：伽利略的外推：伽利略根据斜面结果出发，认为：在初速度为零的匀加速直线运动中，经过的距离正比于时间的平方，即，k为恒量，恒量的数值随着斜面倾角增大而增大，当斜面倾角增大到90，即斜面与地面垂直时，小球将自由下落，成为自由落体，xt2的关系仍然成立，此时的比值为最大，这时小球仍然会保持
11、匀变速直线运动的性质，自由落体运动是一种特殊的匀变速直线运动。（三）科学的方法教师讲解：物理学的研究很注重方法，科学探究方法包括以下几点：对现象一般观察提出猜想运用逻辑推理实验对推理验证对猜想进行修证（补充）推广应用。伽利略的科学思想方法的核心是把实验和逻辑推理（包括数学推理）和谐地结合起来，从而有力地推进了人类科学认识的发展。学生活动：阅读教材STS从伽利略的一生看科学与社会短文，对自己进行科学人生观教育。（四）实例探究（备课参考）竖直上抛运动的实例分析例题：某人在高层楼房的阳台外侧以20 m/s的速度竖直向上抛出一个石块，石块运动到离抛出点15m处时，所经历的时间为多少？（不计空气阻力，取
12、g =10m/s2）分析：石块运动到离抛出点15m处时，石块的位置是在抛出点上方还是在抛出点下方？如果是在抛出点上方的话，是处于上升阶段还是处于下降阶段？从题意来看，石块抛出后能够上升的最大高度为m15m。这样石块运动到离抛出点15 m处的位置必定有两个，如图2-6-1所示，因而所经历的时间必为三个。分段法：石块上升到最高点所用的时间为：s。图2-6-12 s前石块第一次通过“离抛出点15 m处”；2 s时石块到达最高点，速度变为零，随后石块开始做自由落体运动，会第二次经过“离抛出点15 m处”；当石块落到抛出点下方时，会第三次经过“离抛出点15m处”。这样此题应有三解。当石块在抛出点上方距抛
13、出点15m处时取向上为正方向，则位移x = +15m，a= -g = -10 m/s2，代入公式得：，解得t1=1 s；t2=3 s。t1=1 s对应着石块上升时到达“离抛出点15 m处”时所用的时间，而t2=3 s则对应着从最高点往回落时第二次经过“离抛出点15 m处”时所用的时间。由于石块上升的最大高度H=20m，所以，石块落到抛出点下方“离抛出点15m处”时，自由下落的总高度为HOB=20m+15m=35m，下落此段距离所用的时间s。石块从抛出到第三次经过“离抛出点15m处”时所用的时间为：t3=2 s+s=（2+）s。三、课堂小结通过这节课的学习，我们从伽利略对落体的研究上，学习他的观
14、察思考等科学方法，为我们下一步（以后）的探究打下基础，不能盲目，也不能怕困难，要用科学的方法指导我们。四、布置作业完成课后做一做。五、板书设计2.6 伽利略对自由落体运动的研究一、绵延两千年的错误二、伽利略对落体运动的研究发现问题提出假设逻辑推理实验验证合理外推六、课堂作业1.自由落体运动（1）定义： （2）实质： 2.纸张比石头下落得慢是由于_的影响。3.两千多年前的_认为越重的物体下落得越快。4.伽利略给出了科学研究过程的基本要素，这些要素包含对现象的一般观察、 、_、_、对假说进行修正和推广等，伽利略科学思想方法的核心是把_和_和谐地结合起来。5.A物体重量是B物体重量的两倍，A从H，B
15、从2H高度同时开始自由下落（不计空气阻力，下落时间大于1s （ ）。A.落地前同一时刻B比A的速度大B.1s末A、B速度相等C.两物体落地时速度相同D.下落1m所需的时间相同6.物体做竖直上抛运动后又落回到原出发点的过程中，下列说法正确的是（ ）。A.上升过程中，加速度方向向上，速度方向向上B.下落过程中，加速度方向向下，速度方向向下C.在最高点，加速度大小为零，速度大小为零D.到最高点后，加速度方向不变，速度方向改变参考答案：1.（1）物体只在重力作用下从静止开始下落的运动。 （2）初速度为0的匀加速直线运动。2. 空气阻力 3. 亚里士多德 4.提出假设 逻辑推理 实验验证 逻辑推理 实验探究5.BD 6.BD 教育格言教育上的水是什么？就是情，就是爱。教育没有了情爱，就成了无水的池，任你四方形也罢、圆形也罢，总逃不出一个空虚。班主任广博的爱心就是流淌在班级之池中的水，时刻滋润着学生的心田。