穿越时空的对话——新课程背景下物理学史在课堂教学中的应用初探

尹德利

(东方德才学校 北京 100026)

新课程倡导课堂教学要落实“知识与技能”、“过程与方法”、“情感态度与价值观”三维教学目标.新课程背景下的课堂教学，教师如何根据教学内容，恰当地选用物理学史料，并以学生喜闻乐见的形式呈现给学生，使学生在轻松掌握知识与技能的同时，受到物理学思想方法的教育、科学态度和科学精神的熏陶，这是值得广大中学物理教师思考的一个研究课题.近几年来，笔者在这方面做了许多大胆、有益的探索，由笔者自编自导的课堂物理剧《穿越时空的对话》就是新课程课堂教学改革的一次有益尝试.该剧分为两幕:第一幕，伽利略与亚里士多德的对话.通过对话，伽利略用逻辑悖论驳倒了亚里士多德的重的物体比轻的物体落得快的错误结论;第二幕，伽利略的记者招待会.通过伽利略答记者问，介绍了伽利略研究自由落体运动的过程和方法.

穿越时空的对话

男主持:女士们、先生们，大家好!

女主持:观众期待已久的物理剧《穿越时空的对话》演出现在就要开始了!

男主持:在这个物理剧中，大家将有幸聆听到两位不同时代的大师的精彩对话.

女主持:节目演出之前，我先问大家一个问题:现实生活中，石头和羽毛哪个下落得快?

观众:当然是石头了!

男主持:石头比羽毛下落得快，这似乎是无需争辩的事实.古希腊最伟大的哲学家、科学家和教育家亚里士多德据此认为，重的物体比轻的物体下落得快.这个观点在西方流行了1900年之久，直到1590年，年仅26岁的意大利青年伽利略对此却提出了质疑，并最终推翻了亚里士多德的这个错误结论.

女主持:伽利略是如何驳倒亚里士多德的呢?请欣赏物理剧《穿越时空的对话》.

第一幕 两位大师的对白

人物:亚里士多德(由L同学扮演)和伽利略(由物理老师扮演).

道具:一张桌子，两把椅子，两个茶杯、两块大小不同的石头、细绳.

伽利略:尊敬的亚里士多德先生，您好!您是古希腊最博学的人.我研读了您的大量著作，对您的博学多识感到由衷地敬佩.读了您的《物理学》，我有个问题想向您请教一下.

亚里士多德:欢迎、欢迎!我爱我师，但我更爱真理，真理不辩不明.年轻人，您说吧!

伽利略:您认为，重的物体一定比轻的物体下落得快?

亚里士多德:是啊!难道您没看见，一块石头总比一片羽毛下落得快吗?

伽利略:的确如此.但我并不认为物体下落得快慢是由物体的重量引起的.您是形式逻辑的创始人.请问如果把轻重不同的物体A、B绑在一起，其下落的速度比单独一个较重的物体B下落得快还是慢呢?(伽利略一边说，一边用两块石头比划着)

亚里士多德(不假思索地):两个物体绑在一起的重量显然比单个物体的重量大，当然比单个物体B下落得快!

伽利略:按您的说法，既然重的物体比轻的物体下落得快，那么轻重不同的物体绑在一起，重的物体运动较快，就要拖着轻的、较慢的物体一起下落.这时二者一起下落应当比单个物体B下落得慢才是呀!(停顿片刻)您看，从您的这个命题出发却推出了两个相互矛盾的结论.

亚里士多德(一脸迷惑):这一点，我倒是没有想过.年轻人，您的推理没有任何问题，看来是我错了!不过您又是怎么认为的呢?

伽利略:根据我的研究，轻重不同的物体下落的快慢应当是一样的.

(第一幕结束，二人退场)

男主持:刚才大家一起欣赏了物理老师和L同学的精彩表演.现在，我想来一个现场互动.请问:伽利略是用什么方法驳倒了亚里士多德的错误结论的?

观众:逻辑推理.

女主持:很好!科学研究，需要逻辑推理，但是光靠逻辑推理是不够的.要使自己的学说能令人信服地被人接受，还必须有充分的实验事实作依据.那么，伽利略是如何研究落体运动的呢?他在研究过程中遇到了哪些困难?又是如何解决的呢?应中国物理学会的邀请，大名鼎鼎的伽利略教授已经穿越时空，来到了北京.为了解答公众的疑问，中国物理学会特意为伽利略安排了一场记者招待会.相信这次招待会能够解开大家心中的疑问.

男主持:下面请看《穿越时空的对话》第二幕伽利略的记者招待会.

第二幕 伽利略的记者招待会

人物:伽利略(由物理老师扮演)，记者甲，记者乙(分别由两名同学扮演).

道具:多媒体展示台，大屏幕，教鞭，石块，纸片.

伽利略:朋友们，上午好!很高兴认识大家.听说许多中国朋友对我个人的研究工作及研究方法很感兴趣.在座的各位朋友如有什么问题可以随便提问，我很乐意回答.

记者甲(从记者席上站起来):尊敬的伽利略教授，您好!我是《知识报》记者.您用巧妙的逻辑推理的方法驳倒了亚里士多德关于落体运动的错误结论.但在日常生活中，我们发现，一块石头确实比一片羽毛下落得快呀!您如何解释这个现象呢?

伽利略(微笑着):这位朋友问得好.现在我用一个实验来回答你的问题.

(伽利略先用一片纸和一块石头，让它们从同一高度同时释放，石头先落地;然后伽利略将纸片揉成团，再让纸团和石头从同一高度同时释放，结果二者几乎同时落地)

伽利略:两次实验，纸片和石头的重量都没有改变，而结果却大不相同，这说明了什么?(停顿)

说明物体下落得快慢不是由重量引起的.那为什么石块比羽毛下落得快呢?我认为这是空气阻力对下落物体的影响所造成的.第一次，纸片受的空气阻力大，而纸片的重量又比较小，空气阻力对纸片下落的影响就比较大，纸片比石块下落得慢;当纸片揉成团以后，空气阻力大大减小，纸团下落的速度和石块下落的速度就比较接近了.可以想象，如果不受空气阻力，纸团和石块下落得快慢应该是一样的，这种运动我把它称为自由落体运动.

记者甲:谢谢您的答复.但我们都生活在空气中，您研究的这种运动实际上并不存在.您为什么还要研究它呢?

伽利略:在我生活的年代里，空气的阻力无法消除，自由落体运动只是一种理想的运动模型，但并不等于说，就没有研究的价值.当空气阻力和物体的重力相比可以忽略不计时，就可以把物体下落的运动近似看成自由落体运动.到了20世纪，人类已经登上月球，大家知道，月球表面没有空气，宇航员在月球表面所做的落体运动就是严格的自由落体运动.所以，科学研究需要有前瞻性，要用发展的眼光看问题.(停顿，语速缓慢地)大家还要记住，在科学研究中，懂得忽略什么，有时与懂得重视什么同等重要.

记者甲:谢谢您的解答.

伽利略:(微笑着环顾四周)，大家还有什么问题吗?

记者乙(起立):您好!我是《科学报》记者.请问，您是怎样研究自由落体运动的呢?能否把您的研究思路和方法告诉大家，谢谢!

伽利略:好的.对落体运动的研究我是从观察现象开始的.我发现，在空气阻力较小时，物体下落得越来越快.为了描述落体运动的快慢，我定义了速度这个物理量.那么，落体运动是否有什么规律呢?我坚信自然界的规律都是简单的，于是我猜想落体运动应该是一种最简单的变速运动，物体的速度变化应该是均匀的.但是，速度的变化怎样才算是均匀的呢?我考虑了两种可能: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.我想用实验来验证我的猜想.但在当时的条件下我遇到了许多困难.

记者乙:您当时遇到了哪些困难呢?又是如何克服的?

伽利略:我遇到的困难之一是瞬时速度不易测量.不像现在，可以用打点计时器或光电门测瞬时速度.当时技术条件不具备.我遇到的第二个困难是没有准确的计时工具.那时的计时工具是水钟，物体下落的速度又很大，用水钟很难测出物体下落不同高度所用的时间.经过几周的冥思苦想，我终于想到了克服第一个困难的办法.借助数学，我把测量瞬时速度转化为测量位移，位移比速度容易测.我通过数学演算得出，如果v与x成正比，将会得到物体下落两倍的距离与物体下落一倍的距离所用时间相等，这显然是荒谬的!但如果v与t成正比，它通过的位移x就与t2成正比.下一步的工作就是设计实验验证这个结论.

为了便于测量时间，我设计了“冲淡重力”的斜面实验.我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，通过上百次对不同重量的小球沿不同倾角的光滑斜面运动的定量分析研究，我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，说明小球沿斜面的运动的确是匀变速直线运动.而且倾角一定，不同小球的加速度相同;倾角越大，加速度就越大.

最后，我把斜面实验的结论作了合理的外推.我想，斜面越陡，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90°时，小球就做自由落体运动.就这样，我得到了自由落体的运动规律.

(环顾四周)大家还有什么问题吗?没有的话，今天的记者招待会就到此结束.

伽利略退场，男、女主持人上场.

男主持:感谢伽利略教授对公众问题的热心解答.20世纪的物理学大师爱因斯坦对伽利略这样评价:“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法，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.”刚才的记者招待会上，大家有幸聆听了伽利略这位科学巨匠对自由落体研究的过程.现在进入观众有奖竞答环节.

女主持:请观众看大屏幕!

屏幕上依次呈现问题1，问题2，问题3，问题4.观众回答问题;主持人给予评价、鼓励.

问题1:伽利略在研究自由落体运动过程中运用了哪些研究方法.

问题2:在学习物理知识的同时，还应当十分注意学习物理学研究问题的思想和方法，从一定意义上说，后一点甚至更重要.伟大的物理学家伽利略的研究方法对于后来的科学研究具有重大的启蒙作用，至今仍然具有重要意义.请你回顾伽利略探究物体下落规律的过程，判定下列哪个过程是伽利略的探究过程

A.猜想—问题—数学推理—实验验证—合理外推—得出结论

B.问题—猜想—实验验证—数学推理—合理外推—得出结论

C.问题—猜想—数学推理—实验验证—合理外推—得出结论

D.猜想—问题—实验验证—数学推理—合理外推—得出结论(PPT呈现问题2)

问题3:伽利略在研究自由落体运动时认为自然界是简单的，自然界的规律也是简单的.从这个理论出发，猜想落体运动也一定是一种最简单的变速运动，而最简单变速运动，它的速度应该是均匀变化的，从而为自由落体的研究打下了重要基础，从科学研究的方法来说，这属于

A.等效替代 B.理想实验

C.科学假说 D.数学归纳

问题4:请运用自由落体运动规律计算物体自由下落5m和下落20m所用的时间.

……

女主持:有奖竞答活动到此结束.获得第一名的Z同学，他获得由中国科协、中国物理学会颁发的伽利略纪念邮票一套;获得第二名的G同学，她获得中国物理学会发行的伽利略纪念章一枚.欢迎两位同学上台领取奖品!(下课铃响，主持人宣布物理剧结束)

课后反思

本节课是笔者作的一节校级公开课.本节课原打算剧中的人物完全由学生表演，包括伽利略.但在排练过程中，发现伽利略的角色让学生扮演难度太大，主要是伽利略的研究工作，学生说不清楚，最后改由笔者亲自上场，师生共演了一出《穿越时空的对话》.实践证明，师生一起表演物理剧，极大地调动了学生学习的积极性，课堂气氛异常活跃，学生情绪高涨，整堂课充满着欢声笑语，充分体现了学生的主体参与、合作学习、体验探究、互动交流、注重反馈的新课程理念，三维教学目标在轻松活泼的气氛中不知不觉得到了落实，起到了润物细无声的效果.其次，把物理学相关史料进行重新组织、构思，以物理剧的形式呈现，也算是在物理知识教学中渗透物理文化、展现物理学思想和方法的一种新的尝试.欢迎有识之士多提宝贵意见和建议.