课堂上渗透物理学史
——以《自由落体运动》为例

云南省玉溪市峨山县第一中学 陈 明

科学的本质在于探索，科学的生命在于创新。物理学史在培养学生的创造素质方面具有独特的功能。物理学史上几乎每个重大的发现表明，创造性思维活动起始于对困难或问题的认识，而善于提出问题，总是对事物、现象或已有的理论的怀疑开始。为了培养学生提出科学问题的能力，在物理教学中，完全有必要用物理学史上的精彩事例，培养学生独立思考的能力，提高善于提出科学问题的能力。具体教学实施方案如下。

一、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。

二、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。

三、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

四、教学过程

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。

（1）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……。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

然后是伽利略的科学方法

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。

五、总结

物理学史在教学中渗透具有重大的意义，但同时也存在一些问题。首先物理学史是一门独立的学科，有其自身的研究方法和结构体系。若要将科学史与科学教学有机结合起来，首先要求我们树立正确的科学观。不仅要重视“个人的科学”“公开的科学”“技术的科学”更要重视“历史的科学”。同时，在教学中渗透物理学史我们要注意适当性。在教学设计的时候要把握好度，不能因为引入物理学史而冲淡教学的重要的内容。