《伽利略对落体运动的研究》教学设计

作者:佚名 资料来源:网络 点击数:

《伽利略对落体运动的研究》教学设计

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《伽利略对落体运动的研究》教学设计

教学目标
知识与技能:了解伽利略对自由落体运动的研究思路和方法;学习伽利略的思想和精神,培养敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神。提高学习兴趣,培养合作精神。
过程与方法: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;亲身经历探究的过程,尝试探究的方法,提高实验的技能,培养主动参与、勤于动手的学习习惯。
情感态度与价值观: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: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
了解探索过程,明确探索的步骤,同时了解实验及科学的思维方法在探究中的重要作用,从中提炼自己的学习方法。
教学难点
“观察-思考-推理-猜想-验证” 是本节的重点思路,也是培养良好思维习惯的重要参考。
设计思路
本文主要目的是带领学生体验经历伽得略对自由落体运动的研究方法,感悟科学探究方法,培养学生勇于敢于向权威挑战,善于观察思考,知难而进的优秀品质。所以我们按照“观察-思考-推理-猜想-验证”这样的科学探究思路引导学生进行学习
教学过程
 
一、伽利略的探究
师:上节课我们学习了一种理想的运动模型:自由落体运动。大家都知道,落体运动是非常常见的,但就这样一个常见的运动,人类对它的认识经历了差不多两千年的时间才变得清晰起来。这究竟是怎么回事呢?在人类历史上,最早研究运动问题的要算古希腊学者亚里士多德了。亚里士多德通过观察推断:物体下落快慢由它们的质量决定。他的这一推断符合人们的常识,以至于其后两千年里,大家都奉为经典。但到了16世纪末,意大利比萨大学的青年学者伽利略对亚里士多德的论断产生了怀疑,用自己方法证明了亚里士多德观点的错误并且得出了落体运动的规律。下面我们就随着伽利略的思想一起体验他的探究过程。
伽利略的思考:
师:伽利略通过自己的观察对亚里士多德的观点产生了怀疑,并通过逻辑推理让亚里士多德的观点自相矛盾。你能做到用亚里士多德的观点证明亚里士多德观点的错误吗?
 
伽利略发现亚里士多德的观点有自相矛盾的地方。根据亚里士多德的理论,一块大石头的下落速度要比一块小石头下落速度大。假定大石头的下落速度为8,小石头的下落速度为4,当我们把这两块石头拴在一起时,下落快的会被下落慢的拖着而减慢,下落慢的会被下落快的拖着而加快,结果,整个系统的下落速度应该介于8和4之间。但从另一个角度讲,两块石头拴在一起,加起来比大石头还要重,因此整个系统的速度应该大于8,由同一理论得到的结论相互矛盾, 从而使亚里士多德的理论陷入困境。
补充:“两种新科学的对话”一书中写道:
  萨尔维阿谛(伽氏):如果把两个自然速率不同的物体绑在一起,那么落得快的物体会被落得慢的物体拖着而减速,落得慢的物体会被落得快的物体拖着而加速,你同意吗?
  辛普利丘(亚氏):没有疑问,你说得对。
  伽氏:但是,如果这是对的,那么我们取一块大石头,例如它的下落速率为八,再取一块小石头,下落速率为四,将它们栓在一起,整个系统的下落速率应该小于八;但是,两块石头栓在一起,要比速率为八的石头重。因此可以得出,重物体比轻物体的运动速率要小的结论,这个结论刚好和你的推测相反。
  亚氏:我完全被搞糊涂了,……说实在的,这完全超出了我的理解力……。
伽利略的猜想
  先问问学生会作怎样的猜想。
  伽利略认为,重物与轻物应该下落得同样快。他猜想落体运动应该是一种最简单的变速运动,物体的速度应该是均匀变化的。但是,速度的变化怎样才算是均匀的呢?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v与t成正比;另一种是速度的变化对位移来说是均匀的,即v与x成正比。
数学推理 伽利略通过数学运算得出:如果v与x成正比,将会得到十分复杂的结论;如果v与t成正比,它通过的位移x就与t2成正比。要点注意:伽利略是先猜想速度与时间成正比,然后数学推导出位移与时间的平方成正比的,然后通过难数学推导的结论证明速度与时间成正比的。 “伽利略通过实验得到位移与时间的平方成正比的结论”是错误的。
实验验证
为了便于测量时间,伽利略设法用斜面做实验。他在木制斜槽上蒙上羊皮纸,让铜球从光滑的羊皮斜槽上滚下,通过上百次对不同质量的小球沿不同倾角的光滑斜面越大的定量研究,发现小球沿光滑斜面运动时通过的位移x确实与t2成正比,小球的运动是匀变速直线运动,且倾角一定不同小球的加速度一定,倾角越大加速度越大。
合理外推
  伽利略将他在斜面实验中得出的结论做了合理的外推:设想斜面的倾角越接近900,小球沿斜面滚下的运动就越接近于自由落体运动;当斜面的倾角达到900时,小球就做自由落体运动。从而,自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动,且所有物体自由下落时的加速度都相同。
 
二、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科学方法,或者说给出了科学研究过程的基本要素。
  伽利略科学方法的核心是把和逻辑推理(包括数学推演)和谐地结合起来,从而有力地推进了人类科学认识的发展。
 
附:课外阅读材料
一、亚里士多德为什么在物理问题中总是出错──评述亚里士多德的功与过
   物理教科书上,亚里士多德给同学们的形象不好。他老是出错,请同学们讲一讲,他有哪些错误的结论。
  “物体下落的快慢是由它的重量决定的,物体越重,下落得越快”、“力是维持物体运动的原因,用力推车,车才前进,停止用力,车子就要停下来”。
   是否觉得亚里士多德实在太不高明,而伽利略则比他伟大千倍。其实这种看法过于偏激,事实上,亚里士多德是古代的一位伟大思想家,一位百科全书式的大学问家,他有着成就事业的理性方法,又有着几乎无所不及的思想成果,是古代科学思想的伟大代表,不仅在哲学、逻辑学方面的成就至今还被应用着,而且对物理学的前期发展是有贡献的。
   亚里士多德认为,物体永远在运动变化,“运动是永恒的,不能在一个时候曾经存在,在另一个时候不存在”这种运动永恒的观点具有唯物主义思想,包含辩证法的因素,至今仍是积极而有价值的。
   亚里士多德提出的“自然运动”与“非自然运动”的理论。其中含有静止惯性的思想,在遥远的公元前,已是难能可贵的了。
   亚里士多德认为地上的物质由土、水、气、火这四种“基本元素”组成;企图从物质本身来说明自然,把科学从宗教与神话中解放出来,这一精神是有进步意义,这是人类幼年时代的思想精粹。
   亚里士多德主张大地是球形的,并列出了一些事实来证明。他说,当月蚀的时候,其显明的部份恰带有球形的形状……月蚀的成因乃是由于地球遮蔽月球之故,因而这就是说,地球表面的球形确定了月球的轮廓:认识到大地是球形,是一个重大的认识飞跃,为后来引力理论的建立作了思想准备。
   这样一位伟大的学者为什么在物理问题上经常出错?亚里士多德的错误不在于头脑也不全在于时代,而在于研究方法。亚里士多德对物理的研究是采用“观察加直觉”的方法,他的那些错误结论是靠观察,并依赖直接推理,得出一系列直觉结论。固然,观察与直觉对物理研究是至关重要的。详细的观察和良好的直觉往往导致伟大的发现。然而物理学是一门以实验为基础的学科,所以根据直接观察所得出的直觉结论不是都可靠,有时会将人们引入歧途。如果说伽利略比亚里士多德伟大,就在于伽利略是第一位创造通过实验检验理论推导的科学研究方法的科学家.
   二、伽利略与自由落体
   亚里士多德的学说在十六世纪仍然如日中天,人人都奉为经典,没有人提出任何的怀疑。亚里士多德关于「自由落体」的学说是:物体自高处自由落下的速度和重量成正比。也就是说,一个十磅重的物体,下坠的速度会比一磅重的物体快十倍。这个学说在大小的外表上看来,似乎非常的合理,而且人人也都相信学说的真确性,教授们严肃的把这个学说教给他们的学生,学生们也都敬谨的接受这个学说,只有伽利略表示怀疑。
   伽利略曾经亲眼目睹大小不同的冰雹,同时一起掉落到地。根据常识判断,它们似乎是从同一高度一起下坠的,但是按照亚里士多德的学说,较大的冰雹应该先落到地面上,小冰雹在接着掉来,伽利略观察到的并非如此。他做了许多实验,发觉亚里士多德的学说是错误的,他决心指出这项错误。传说有一天,他邀请有关的教授到比塞塔前,拿出一个一百磅的重体,和一个一磅的重体。
   伽利略问所有的教授们:
   「假如这两个重体同时自塔顶自由落下,结果如何?」
   教授们议论纷纷,谁也没有做过这样的实验,没有人敢预料结果如何。
   以往,他们按亚里斯多德的学说照本宣科,从来没有怀疑过。现在,居然有一位二十五岁的青年,提出了要求证据的疑问。结果呢?要是两个重体以非常悬殊的速度坠落地面,教授们可以松一口气,证明亚里士多德的学说是正确的,伽利略将被冠上「说谎者」、「搅局者」的罪名。要是两个重体同时坠落地面?又将如何解释呢?是扬弃奉行多年的亚里士多德学说,接受伽利略实验所证明的事实,还是对伽利略的实验视若无睹?
   比萨塔的倾斜度可以使坠体不受阻碍,伽利略塔顶大喊:
   「看清楚了没有?下来了!」
   两个重体砰然而下,小的重体始终和大的重体并行,而且同时落地。这两个重体的砰然一声,并不表示亚里士多德的学说已经崩溃。因为这一群教授在不想相信一件真实事物的时候,根本不去看一看、摸一摸,无论如何也不愿意承认亚里士多德的学说是错误的。更荒谬的是他们反而怀疑伽利略为了证实速度相同,而在重体内隐藏了「魔术」。
   三、评述伽利略的科学研究方法
   比萨有座著名的塔,建于1173年。塔高54.6m(179英尺),由于塔基问题,塔身发生倾斜,那正是理想落体实验场所。伽利略为了证明他的论断,他邀请了许多人到斜塔旁观看,有他的支持者,也有他的反对者。伽利略一手拿着1只0.454kg(1磅)重的铅球,另一手拿着一只4.54kg(10磅)重的铅球,一步一步地登上斜塔,那些支持亚里士多德的学者发出“嘘嘘”的嘲笑声,准备看他“失败”的实验。伽利略到了塔顶,向下面人作了手势,叫喊着:“现在请各位注意!”他随即一松手,两只铅球笔直落下。“啪”地一声,两个重量不等的铅球同时落地。
   伽利略用实验方法证明亚里士多德的看法是错误的,还用实验证明了力不是维持物体运动而是改变物体运动状态的原因,并根据斜面实验,提出惯性的概念,总结出了惯性定律,自由落体运动定律,相对性原理,发现了单摆等时性原理,用自制的33倍望远镜发现了一系列天文现象。
   伽利略为了确立新的自然研究法──实验法的地位,又同教会的唯心论世界观进行了激烈的斗争,受到罗马宗教法庭的迫害,罚他每星期背诵七篇忏悔圣诗,无限期地监禁在他自己家中。但强权没有迫使伽利略屈服,他在家中写下了《两种科学的对话》,它用实验方法在物理学上打开了人们的眼界。不幸的是这本书出版时,伽利略已双目失明,永远也看不到它了。
   伟大的物理学家爱因斯坦给了伽利略极高的评价,说“伽利略的发现及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正开端,这个发现告诉我们,根据直接观察所得出的直觉的结论不总是可靠的,因为它们有时会引到错误的线索上去”。这精辟的分析告诉了我们伽利略成功的秘诀和亚里士多德失败的原因。
 

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