伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究.doc

北京師范大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)教案（注：須于上課前二日寫(xiě)好）院/系 物理學(xué)系專業(yè)物理學(xué) 實(shí)習(xí)生姓名路東磊學(xué)號(hào)0710150074院系指導(dǎo)教師李多 實(shí)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(shí)習(xí)成績(jī) （本人本次實(shí)習(xí)第 4 個(gè)教案）實(shí)習(xí)學(xué)校北京師范大學(xué)燕化附屬中學(xué)實(shí)習(xí)班級(jí)高一 (6)班實(shí)習(xí)科目物理教學(xué)課題伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究所用教材教材名稱：物理第1冊(cè)，第2 章6節(jié)4549頁(yè)出版社：人民教育出版社教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與及技能：1、了解伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的歷史；2、了解伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)方法和巧妙的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思；3、理解任何猜想和假說(shuō)都必須要有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。過(guò)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(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。情感態(tài)度與價(jià)值觀：1、學(xué)習(xí)科學(xué)家們對(duì)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(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)方法教學(xué)難點(diǎn)1、伽利略的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)；2、伽利略的理想外推。課時(shí)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(wèn)教學(xué)過(guò)程及內(nèi)容【舊識(shí)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(yùn)動(dòng)，知道了自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在我們來(lái)回顧一下自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。【提問(wèn)學(xué)生】 什么是自由落體運(yùn)動(dòng)？自由落體運(yùn)動(dòng)的速度公式、位移公式、推論？現(xiàn)在我們學(xué)起來(lái)感覺(jué)自由落體運(yùn)動(dòng)是一個(gè)很簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但是就算是得出這么一個(gè)簡(jiǎn)單規(guī)律的過(guò)程也并不簡(jiǎn)單，事實(shí)上，人們從開(kāi)始研究這個(gè)問(wèn)題到得出“自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)”這一結(jié)論經(jīng)歷了近兩千年。為什么對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究花費(fèi)了近兩千年的時(shí)間？又是誰(shuí)用什么樣的方法把將這樣的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以這么一種簡(jiǎn)單的形式呈現(xiàn)在我們的面前？通過(guò)這節(jié)課的學(xué)習(xí)我們就能夠解答這樣的問(wèn)題。【板書(shū)：第六節(jié) 伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究】【新課教學(xué)】 一、綿延兩千年的錯(cuò)誤教師：前面已經(jīng)說(shuō)到，人們對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究經(jīng)歷了近兩千年，首先研究這個(gè)問(wèn)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(shū)式”的科學(xué)家。他學(xué)識(shí)淵博、著作頗豐。至少撰寫(xiě)了170種著作，流傳下來(lái)的也有47種。恩格斯評(píng)價(jià)說(shuō)：最博學(xué)的人。馬克思評(píng)價(jià)說(shuō)：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(shù)葉下落得快，蘋(píng)果比蘋(píng)果葉下落得快于是，他得到了一個(gè)結(jié)論：重的物體比輕的物體下落得快?，F(xiàn)在，我們都已經(jīng)知道了這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的，而且很容易驗(yàn)證。但是這個(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)卻統(tǒng)治人們的思想兩千年，16世紀(jì)末伽利略對(duì)此表示了懷疑。【演示】一整張紙和半張紙，整張紙展開(kāi)平放，半張紙揉成團(tuán)，從同一高度同時(shí)下落。半張的遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)上很簡(jiǎn)單地就證明了亞里士多德觀點(diǎn)的錯(cuò)誤，那么為什么這個(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)卻統(tǒng)治了人們的思想近兩千年？大家討論一下?！咎釂?wèn)學(xué)生他們的想法或者討論的結(jié)果】學(xué)生可能回答：因?yàn)閬喞锸慷嗟潞軅ゴ?，沒(méi)人懷疑他會(huì)錯(cuò)；因?yàn)檫@個(gè)結(jié)論所說(shuō)的跟看到的事實(shí)一樣。教師對(duì)學(xué)生予以肯定，并總結(jié)學(xué)生的回答：通過(guò)同學(xué)們的回答，我們能夠知道亞里士多德的這個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn)之所以能兩千年來(lái)沒(méi)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(gè)觀點(diǎn)是從觀察中得來(lái)的，符合人們的常識(shí)。教師：由此可見(jiàn)：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(shuō)明一點(diǎn)，雖然亞里士多德的著作或觀點(diǎn)有一些錯(cuò)誤存在，但是這些錯(cuò)誤并不能掩蓋他的成就，我們要正確的看待他的成就和錯(cuò)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(gè)觀點(diǎn)的錯(cuò)誤，而伽利略還從邏輯上證明了該觀點(diǎn)的錯(cuò)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(shí)驗(yàn)科學(xué)的創(chuàng)始人。在研究工作中，開(kāi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)之先河，并通過(guò)大量的觀察和實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了慣性定律、自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相對(duì)性原理，發(fā)現(xiàn)了單擺振動(dòng)的等時(shí)性原理；用自制的33倍望遠(yuǎn)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(diǎn)，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(gè)石頭捆在一起時(shí)，大石頭會(huì)被下落慢的小石頭拖著，使整體速度小于8；但是兩個(gè)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(shuō)明亞里士多德是錯(cuò)誤的。既然“重物比輕物下落得快”是錯(cuò)誤的，那么實(shí)際情況是什么樣的呢？伽利略認(rèn)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(shí)起，人們的思想觀教學(xué)過(guò)程及內(nèi)容念就開(kāi)始發(fā)生變化。 三、猜想與假說(shuō) 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(gè)結(jié)論，在很多人看來(lái)他的工作就算完成了。但是伽利略并不這么想，他要進(jìn)一步研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，他要搞清楚自由落體到底是個(gè)什么樣的運(yùn)動(dòng)。那么他是怎么研究的呢？他首先面臨的是概念上的問(wèn)題，因?yàn)槟菚r(shí)候連速度的明確定義都沒(méi)有，因此他必須先建立描述運(yùn)動(dòng)所需要的概念，比如平均速度、瞬時(shí)速度和加速度等就是伽利略首先建立起來(lái)的。伽利略相信，自然界的規(guī)律是簡(jiǎn)潔明了的。因此，他認(rèn)為落體運(yùn)動(dòng)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)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(duì)時(shí)間來(lái)說(shuō)是均勻的，比如每過(guò)1s，速度變化2m/s；另一種情況是速度的變化對(duì)位移來(lái)說(shuō)是均勻的，比如每下落1m，速度變化2m/s。四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)位移來(lái)說(shuō)是均勻的，那么將會(huì)推導(dǎo)出十分復(fù)雜的結(jié)論，這與他認(rèn)為的“自然界的規(guī)律是簡(jiǎn)潔明了的”是相違背的。因此，他就驗(yàn)證“速度的變化對(duì)時(shí)間來(lái)說(shuō)是均勻的”這種情況是否正確。他通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算得出這樣的一個(gè)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)的位移就與時(shí)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(cè)出通過(guò)不同位移所用的時(shí)間就可以檢驗(yàn)物體的速度是否隨時(shí)間均勻變化。比如，通過(guò)位移x所用時(shí)間為t，那么他只需要檢驗(yàn)通過(guò)4x用的時(shí)間是不是2t就能檢驗(yàn)物體的速度是否隨時(shí)間均勻變化。但是要驗(yàn)證還有一個(gè)困難。我們知道，物體下落時(shí)很快的，而當(dāng)時(shí)的計(jì)時(shí)工具很落后，只能靠滴水計(jì)時(shí)，滴水是不能夠測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)所用時(shí)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(gè)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(yùn)動(dòng)的加速度要比自由下落小得多，用的時(shí)間也就長(zhǎng)得多，測(cè)量起來(lái)也就相對(duì)容易得多。伽利略做了很多次實(shí)驗(yàn)，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(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度只與斜面傾角有關(guān)，與小球質(zhì)量、開(kāi)始滾下時(shí)的高度都無(wú)關(guān)，而且傾角越大加速度越大。但是，小球沿斜面的運(yùn)動(dòng)畢竟不是落體運(yùn)動(dòng)，還是不知道落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是什么樣的??？你研究了半天跟落體運(yùn)動(dòng)沒(méi)關(guān)系，你這不是白忙活嗎？這時(shí)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(yùn)動(dòng)嗎？至此，伽利略就得出了“自由落體運(yùn)動(dòng)是初速為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)”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(huì)問(wèn)：為什么日常生活中還是會(huì)見(jiàn)到重的物體下落得快，輕的物體下落得慢呢？其實(shí)咱們同學(xué)都已經(jīng)知道了，這是因?yàn)榭諝庾枇Φ拇嬖?，?dāng)然伽利略也是這么回答的。當(dāng)空氣阻力的影響很小時(shí)，我們可以忽略空氣阻力，將落體運(yùn)動(dòng)看做自由落體運(yùn)動(dòng)。伽利略還特別指出，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。五、伽利略的科學(xué)方法知道了伽利略的探究過(guò)程，我們回頭來(lái)看一下他所用的科學(xué)研究方法。“對(duì)現(xiàn)象的一般觀察” “提出假設(shè)” “運(yùn)用邏輯（包括數(shù)學(xué)）得出推論” “通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)推論進(jìn)行驗(yàn)證” “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)推演）結(jié)合起來(lái)，以伽利略教學(xué)過(guò)程及內(nèi)容為開(kāi)端，近代科學(xué)的大門(mén)就此打開(kāi)。 伽利略就是以這樣的科學(xué)方法得出了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，同時(shí)打開(kāi)了近代科學(xué)的大門(mén)。其實(shí)在伽利略之前也有人懷疑過(guò)亞里士多德的錯(cuò)誤，但是從來(lái)沒(méi)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(cuò)誤之后就停步不前了，那么是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的自由落體運(yùn)動(dòng)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(kāi)的?！拘〗Y(jié)】【提問(wèn)學(xué)生】學(xué)完了這一課，你覺(jué)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(lái)看一下。德國(guó)著名物理學(xué)家玻恩說(shuō)：“我榮獲1954年的諾貝爾獎(jiǎng)，與其說(shuō)是因?yàn)槲宜l(fā)表的著作里包括了一個(gè)自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說(shuō)是因?yàn)槟抢锩姘ㄒ粋€(gè)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(shí)的長(zhǎng)河中所占的比例愈來(lái)愈小，但他研究問(wèn)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(yáng) 可見(jiàn)，一個(gè)科學(xué)的方法往往比一個(gè)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(lái)看一看伽利略的實(shí)驗(yàn)。例1：伽利略通過(guò)研究自由落體和物塊沿光滑斜面運(yùn)動(dòng)，首次發(fā)現(xiàn)了勻加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。伽利略假設(shè)物塊沿斜面運(yùn)動(dòng)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(cè)出物塊通過(guò)相應(yīng)路程的時(shí)間，然后用圖線表示整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖所示。圖中OA表示測(cè)得的時(shí)間，矩形OAED的面積表示該時(shí)間內(nèi)物塊經(jīng)過(guò)的路程，則圖中OD的長(zhǎng)度表示 OA時(shí)間段的平均速度 。P為DE的中點(diǎn)，連接OP且延長(zhǎng)交AE的延長(zhǎng)線于B，則AB的長(zhǎng)度表示 A點(diǎn)的瞬時(shí)速度 。例2：滴水法測(cè)重力加速度的過(guò)程是這樣的：讓水龍頭的水一滴一滴地滴在其正下方的盤(pán)子里，調(diào)整水龍頭，讓前一滴水滴到盤(pán)子而聽(tīng)到聲音時(shí)，后一滴水恰好離開(kāi)水龍頭。從第1次聽(tīng)到水擊盤(pán)聲時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，測(cè)出n次聽(tīng)到水擊盤(pán)聲的總時(shí)間為t，用刻度尺量出水龍頭到盤(pán)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(gè)聲音的時(shí)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(pán)子的距離至少為34mC. 重力加速度的計(jì)算式為 D. 重力加速度的計(jì)算式為解析：只要相鄰兩滴水滴下的時(shí)間間隔超過(guò)0.1s，人耳就能分辨出兩滴水的擊盤(pán)聲，而與水龍頭距人耳的距離無(wú)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(guò)0.05m就行。兩滴水的時(shí)間間隔為，所以，選D。例3：離地3m高的屋檐口有一個(gè)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(guò)窗戶所用的時(shí)間為多少？（g=10m/s） 解：方法一、t2-t1；方法二、（v2-v1）/g；其它。 板書(shū)設(shè)計(jì)第6節(jié) 伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究一、綿延兩千年的錯(cuò)誤 五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 亞里士多德：重的物體下落得快 小球沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)是勻加速直線二、邏輯的力量 運(yùn)動(dòng)，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(kāi)始滾下時(shí)的高度都無(wú)關(guān)，三、猜想與假說(shuō) 而且傾角越大加速度越大 落體運(yùn)動(dòng)的物體速度均勻變化 六、合理外推 （1）vx 自由落體運(yùn)動(dòng)是初速為0的勻加速 （2）vt