《伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究》教案(滬科版)

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1、第二章研究勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律 2.1伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究 ★教學(xué)目標(biāo) （ 1） 知識(shí)與技能 1. 了解伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究思路和方法 2. 學(xué)習(xí)伽利略的思想和精神，培養(yǎng)敢于堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué) 精神。提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)合作精神。 （ 2） 過(guò)程與方法 3. 經(jīng)歷伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究方法，感悟科學(xué)探究的方法； 4. 親身經(jīng)歷探究的過(guò)程，嘗試探究的方法，提高實(shí)驗(yàn)的技能，培養(yǎng)主動(dòng)參與、勤于動(dòng)手的 學(xué)習(xí)習(xí)慣。 （ 3） 情感態(tài)度與價(jià)值觀(guān) 5. 激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)伽利略敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，善于觀(guān)察思考，知難而進(jìn)的優(yōu)秀品質(zhì) 6. 培養(yǎng)學(xué)生耐心細(xì)

2、致的意志品質(zhì)，創(chuàng)新思想和互相協(xié)作的精神 ★教學(xué)重點(diǎn) 1.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。 ★教學(xué)難點(diǎn) 1.觀(guān)察－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)過(guò)程 設(shè)計(jì)思路：本文主要目的是帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)經(jīng)歷伽得略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究方法，感悟科學(xué) 探究方法，培養(yǎng)學(xué)生勇于敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，善于觀(guān)察思考，知難而進(jìn)的優(yōu)秀品質(zhì)。所以我們 按照“觀(guān)察－思考－推理－猜想－驗(yàn)證”這樣的科學(xué)探究思路引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí) 一、伽利略的探究 師：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了一種理想的運(yùn)動(dòng)模型：自由落體運(yùn)

3、動(dòng)。大家都知道，落體運(yùn)動(dòng)是 非常常見(jiàn)的，但就這樣一個(gè)常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)，人類(lèi)對(duì)它的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了差不多兩千年的時(shí)間才變得 清晰起來(lái)。這究竟是怎么回事呢？在人類(lèi)歷史上，最早研究運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的要算古希臘學(xué)者亞里 士多德了。亞里士多德通過(guò)觀(guān)察推斷：物體下落快慢由它們的質(zhì)量決定。他的這一推斷符合 人們的常識(shí)，以至于其后兩千年里，大家都奉為經(jīng)典。但到了16世紀(jì)末，意大利比薩大學(xué)的 青年學(xué)者伽利略對(duì)亞里士多德的論斷產(chǎn)生了懷疑，用自己方法證明了亞里士多德觀(guān)點(diǎn)的錯(cuò)誤 并且得出了落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。下面我們就隨著伽利略的思想一起體驗(yàn)他的探究過(guò)程。 1 、伽利略的思考： 師：伽利略通過(guò)自己的觀(guān)察對(duì)亞里士多德的觀(guān)點(diǎn)產(chǎn)生

4、了懷疑，并通過(guò)邏輯推理讓亞里士 多德的觀(guān)點(diǎn)自相矛盾。你能做到用亞里士多德的觀(guān)點(diǎn)證明亞里士多德觀(guān)點(diǎn)的錯(cuò)誤嗎？ 伽利略發(fā)現(xiàn)亞里士多德的觀(guān)點(diǎn)有自相矛盾的地方。根據(jù)亞里士多德的理論，一塊大石頭 的下落速度要比一塊小石頭下落速度大。假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4， 當(dāng)我們把這兩塊石頭拴在一起時(shí)，下落快的會(huì)被下落慢的拖著而減慢，下落慢的會(huì)被下落快 的拖著而加快，結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的下落速度應(yīng)該介于8和4之間。但從另一個(gè)角度講，兩塊 石頭拴在一起，加起來(lái)比大石頭還要重，因此整個(gè)系統(tǒng)的速度應(yīng)該大于8，由同一理論得到的 結(jié)論相互矛盾，從而使亞里士多德的理論陷入困境。 補(bǔ)充：“兩種新科

5、學(xué)的對(duì)話(huà)”一書(shū)中寫(xiě)道： 薩爾維阿諦（伽氏）：如果把兩個(gè)自然速率不同的物體綁在一起，那么落得快的物體會(huì)被 落得慢的物體拖著而減速，落得慢的物體會(huì)被落得快的物體拖著而加速，你同意嗎？ 辛普利丘（亞氏）：沒(méi)有疑問(wèn)，你說(shuō)得對(duì)。 伽氏：但是，如果這是對(duì)的，那么我們?nèi)∫粔K大石頭，例如它的下落速率為八，再取一 塊小石頭，下落速率為四，將它們栓在一起，整個(gè)系統(tǒng)的下落速率應(yīng)該小于八；但是，兩塊 石頭栓在一起，要比速率為八的石頭重。因此可以得出，重物體比輕物體的運(yùn)動(dòng)速率要小的 結(jié)論，這個(gè)結(jié)論剛好和你的推測(cè)相反。 亞氏：我完全被搞糊涂了，……說(shuō)實(shí)在的，這完全超出了我的理解力……。 2 、伽利略的猜

6、想 先問(wèn)問(wèn)學(xué)生會(huì)作怎樣的猜想。 伽利略認(rèn)為，重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快。他猜想落體運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一種最簡(jiǎn)單的變速 運(yùn)動(dòng)，物體的速度應(yīng)該是均勻變化的。但是，速度的變化怎樣才算是均勻的呢？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；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。 數(shù)學(xué)推理伽利略通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算得出：如果v與x成正比，將會(huì)得到十分復(fù)雜的結(jié)論；如果v 2 與t成正比，它通過(guò)的位移x就與t成正比。 要點(diǎn)注意：伽利略是先猜想速度與時(shí)間成正比，然后數(shù)學(xué)推導(dǎo)出位移與時(shí)間的平方成正比的，然后通過(guò)難數(shù)學(xué)推導(dǎo)的結(jié)論證明速度與時(shí)間成正比的?！百だ酝ㄟ^(guò)實(shí)

7、驗(yàn)得到位移與時(shí)間的 平方成正比的結(jié)論”是錯(cuò)誤的。 3 、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 為了便于測(cè)量時(shí)間，伽利略設(shè)法用斜面做實(shí)驗(yàn)。他在木制斜槽上蒙上羊皮紙，讓銅球從光滑 的羊皮斜槽上滾下，通過(guò)上百次對(duì)不同質(zhì)量的小球沿不同傾角的光滑斜面越大的定量研究， 發(fā)現(xiàn)小球沿光滑斜面運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)的位移x確實(shí)與t2成正比，小球的運(yùn)動(dòng)是勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)， 且傾角一定不同小球的加速度一定，傾角越大加速度越大。 4、合理外推 伽利略將他在斜面實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)論做了合理的外推：設(shè)想斜面的傾角越接近900，小球 沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)就越接近于自由落體運(yùn)動(dòng)；當(dāng)斜面的傾角達(dá)到900時(shí)，小球就做自由落體 運(yùn)動(dòng)。從而，自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度

8、為0的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，且所有物體自由下落時(shí)的加速 度都相同。 二、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。 伽利略科學(xué)方法的核心是把和邏輯推理（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(lèi)科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展。 附：課外閱讀材料（印發(fā)給學(xué)生） 一、亞里士多德為什么在物理問(wèn)題中總是出錯(cuò)——評(píng)述亞里士多德的功與過(guò) 物理教科書(shū)上，亞里士多德給同學(xué)們的形象不好。他老是出錯(cuò)，請(qǐng)同學(xué)們講一講，他 有哪些錯(cuò)誤的結(jié)論。 “物體下落的快慢是由它的重量決定的，物體越重

9、，下落得越快”、“力是維持物體運(yùn) 動(dòng)的原因，用力推車(chē)，車(chē)才前進(jìn)，停止用力，車(chē)子就要停下來(lái)”。 是否覺(jué)得亞里士多德實(shí)在太不高明，而伽利略則比他偉大千倍。其實(shí)這種看法過(guò)于偏 激，事實(shí)上，亞里士多德是古代的一位偉大思想家，一位百科全書(shū)式的大學(xué)問(wèn)家，他有著成 就事業(yè)的理性方法，又有著幾乎無(wú)所不及的思想成果，是古代科學(xué)思想的偉大代表，不僅在 哲學(xué)、邏輯學(xué)方面的成就至今還被應(yīng)用著，而且對(duì)物理學(xué)的前期發(fā)展是有貢獻(xiàn)的。 ①亞里士多德認(rèn)為，物體永遠(yuǎn)在運(yùn)動(dòng)變化，“運(yùn)動(dòng)是永恒的，不能在一個(gè)時(shí)候曾經(jīng)存 在，在另一個(gè)時(shí)候不存在”這種運(yùn)動(dòng)永恒的觀(guān)點(diǎn)具有唯物主義思想，包含辯證法的因素，至 今仍是積極而有價(jià)值

10、的。 亞里士多德提出的“自然運(yùn)動(dòng)”與“非自然運(yùn)動(dòng)”的理論。其中含有靜止慣性的思想,在遙遠(yuǎn)的公元前，已是難能可貴的了。 ②亞里士多德認(rèn)為地上的物質(zhì)由土、水、氣、火這四種“基本元素”組成；企圖從物質(zhì)本身來(lái)說(shuō)明自然，把科學(xué)從宗教與神話(huà)中解放出來(lái)，這一精神是有進(jìn)步意義，這是人類(lèi)幼年時(shí)代的思想精粹。 ③亞里士多德主張大地是球形的，并列出了一些事實(shí)來(lái)證明。他說(shuō)，當(dāng)月蝕的時(shí)候，其顯明的部份恰帶有球形的形狀……月蝕的成因乃是由于地球遮蔽月球之故，因而這就是說(shuō)，地球表面的球形確定了月球的輪廓：認(rèn)識(shí)到大地是球形，是一個(gè)重大的認(rèn)識(shí)飛躍，為后來(lái)引力理論的建立作了思想準(zhǔn)備。 這樣一位偉大的學(xué)者為什么在物理問(wèn)題上

11、經(jīng)常出錯(cuò)？亞里士多德的錯(cuò)誤不在于頭腦也不全在于時(shí)代，而在于研究方法。亞里士多德對(duì)物理的研究是采用“觀(guān)察加直覺(jué)”的方法，他的那些錯(cuò)誤結(jié)論是靠觀(guān)察，并依賴(lài)直接推理，得出一系列直覺(jué)結(jié)論。固然，觀(guān)察與直覺(jué)對(duì)物理研究是至關(guān)重要的。詳細(xì)的觀(guān)察和良好的直覺(jué)往往導(dǎo)致偉大的發(fā)現(xiàn)。然而物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，所以根據(jù)直接觀(guān)察所得出的直覺(jué)結(jié)論不是都可靠，有時(shí)會(huì)將人們引入歧途。如果說(shuō)伽利略比亞里士多德偉大，就在于伽利略是第一位創(chuàng)造通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論推導(dǎo)的科學(xué)研究方法的科學(xué)家. 二、伽利略與自由落體 亞里士多德的學(xué)說(shuō)在十六世紀(jì)仍然如日中天，人人都奉為經(jīng)典，沒(méi)有人提出任何的懷疑。亞里士多德關(guān)于「自由落體」的學(xué)說(shuō)

12、是：物體自高處自由落下的速度和重量成正比。也就是說(shuō)，一個(gè)十磅重的物體，下墜的速度會(huì)比一磅重的物體快十倍。這個(gè)學(xué)說(shuō)在大小的外表上看來(lái)，似乎非常的合理，而且人人也都相信學(xué)說(shuō)的真確性，教授們嚴(yán)肅的把這個(gè)學(xué)說(shuō)教給他們的學(xué)生，學(xué)生們也都敬謹(jǐn)?shù)慕邮苓@個(gè)學(xué)說(shuō)，只有伽利略表示懷疑。 伽利略曾經(jīng)親眼目睹大小不同的冰雹，同時(shí)一起掉落到地。根據(jù)常識(shí)判斷，它們似乎是從同一高度一起下墜的，但是按照亞里士多德的學(xué)說(shuō)，較大的冰雹應(yīng)該先落到地面上，小冰雹在接著掉來(lái)，伽利略觀(guān)察到的并非如此。 他做了許多實(shí)驗(yàn)，發(fā)覺(jué)亞里士多德的學(xué)說(shuō)是錯(cuò)誤的，他決心指出這項(xiàng)錯(cuò)誤。傳說(shuō)有一天，他邀請(qǐng)有關(guān)的教授到比塞塔前，拿出一個(gè)一百磅的重體，和一

13、個(gè)一磅的重體。 伽利略問(wèn)所有的教授們： 「假如這兩個(gè)重體同時(shí)自塔頂自由落下，結(jié)果如何？」 教授們議論紛紛，誰(shuí)也沒(méi)有做過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有人敢預(yù)料結(jié)果如何。 以往，他們按亞里斯多德的學(xué)說(shuō)照本宣科，從來(lái)沒(méi)有懷疑過(guò)?，F(xiàn)在，居然有一位二十 五歲的青年，提出了要求證據(jù)的疑問(wèn)。結(jié)果呢？要是兩個(gè)重體以非常懸殊的速度墜落地面， 教授們可以松一口氣，證明亞里士多德的學(xué)說(shuō)是正確的，伽利略將被冠上「說(shuō)謊者」、「攪局 者」的罪名。要是兩個(gè)重體同時(shí)墜落地面？又將如何解釋呢？是揚(yáng)棄奉行多年的亞里士多德 學(xué)說(shuō)，接受伽利略實(shí)驗(yàn)所證明的事實(shí)，還是對(duì)伽利略的實(shí)驗(yàn)視若無(wú)睹？ 比薩塔的傾斜度可以使墜體不受阻礙，伽利略

14、塔頂大喊： 「看清楚了沒(méi)有？下來(lái)了！」 兩個(gè)重體砰然而下，小的重體始終和大的重體并行，而且同時(shí)落地。這兩個(gè)重體的砰 然一聲，并不表示亞里士多德的學(xué)說(shuō)已經(jīng)崩潰。因?yàn)檫@一群教授在不想相信一件真實(shí)事物的 時(shí)候，根本不去看一看、摸一摸，無(wú)論如何也不愿意承認(rèn)亞里士多德的學(xué)說(shuō)是錯(cuò)誤的。更荒 謬的是他們反而懷疑伽利略為了證實(shí)速度相同，而在重體內(nèi)隱藏了「魔術(shù)」。 三、評(píng)述伽利略的科學(xué)研究方法 ①比薩有座著名的塔，建于1173年。塔高54.6m（179英尺），由于塔基問(wèn)題，塔身 發(fā)生傾斜，那正是理想落體實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。伽利略為了證明他的論斷，他邀請(qǐng)了許多人到斜塔旁 觀(guān)看，有他的支持者，也有他的反對(duì)者

15、。伽利略一手拿著1只0．454kg（1磅）重的鉛球， 另一手拿著一只4．54kg（10磅）重的鉛球，一步一步地登上斜塔，那些支持亞里士多德的 學(xué)者發(fā)出“噓噓”的嘲笑聲，準(zhǔn)備看他“失敗”的實(shí)驗(yàn)。伽利略到了塔頂，向下面人作了手 勢(shì)，叫喊著：“現(xiàn)在請(qǐng)各位注意！”他隨即一松手，兩只鉛球筆直落下。“啪”地一聲，兩 個(gè)重量不等的鉛球同時(shí)落地。 ②伽利略用實(shí)驗(yàn)方法證明亞里士多德的看法是錯(cuò)誤的，還用實(shí)驗(yàn)證明了力不是維持物 體運(yùn)動(dòng)而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，并根據(jù)斜面實(shí)驗(yàn)，提出慣性的概念，總結(jié)出了慣性定 律，自由落體運(yùn)動(dòng)定律，相對(duì)性原理，發(fā)現(xiàn)了單擺等時(shí)性原理，用自制的33倍望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了 一系列天

16、文現(xiàn)象。 ③伽利略為了確立新的自然研究法——實(shí)驗(yàn)法的地位，又同教會(huì)的唯心論世界觀(guān)進(jìn)行 了激烈的斗爭(zhēng)，受到羅馬宗教法庭的迫害，罰他每星期背誦七篇懺悔圣詩(shī)，無(wú)限期地監(jiān)禁在 他自己家中。但強(qiáng)權(quán)沒(méi)有迫使伽利略屈服，他在家中寫(xiě)下了《兩種科學(xué)的對(duì)話(huà)》，它用實(shí)驗(yàn)方 法在物理學(xué)上打開(kāi)了人們的眼界。不幸的是這本書(shū)出版時(shí)，伽利略已雙目失明，永遠(yuǎn)也看不 到它了。 偉大的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦給了伽利略極高的評(píng)價(jià)，說(shuō)“伽利略的發(fā)現(xiàn)及他所用的科學(xué) 推理方法是人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開(kāi)端，這個(gè)發(fā)現(xiàn)告訴我們，根據(jù)直接觀(guān)察所得出的直覺(jué)的結(jié)論不總是可靠的，因?yàn)樗鼈冇袝r(shí)會(huì)引到錯(cuò)誤的線(xiàn)索上去”。這精辟的分析告訴了我們伽利略成功的秘訣和亞里士多德失敗的原因。