伽利略“冲淡”重力思想在自由落体中的运用

陈英

（常州市北郊高级中学）

伽利略“冲淡”重力思想在自由落体中的运用

陈英

（常州市北郊高级中学）

伽利略斜面实验中的“冲淡”重力思想巧妙地避开了物体下落时间快导致相关物理量难以测量的难题，最后对斜面实验进行合理外推，最终得到自由落体运动是一种匀加速直线运动。这种思想其实同样可以用于对于“物体下落快慢是否一致”的探究活动当中。

伽利略；自由落体；冲淡重力

通常情况下，多数教师在处理自由落体运动这一节内容时，都是先证明不同质量的物体下落的快慢程度相同，然后才能引入自由落体运动。对于这个理论的证明，笔者认为，比较妥当的处理方式是先要证明重的物体比轻的物体下落得慢这种现象也是存在的。因为在学生的潜意识中，包括在现实生活中，可能会存在重的物体比轻的物体下落得快。而从学生的前概念出发，更能激发学生的兴趣。这一点很好证明，比如，比较半张纸团和整张纸的下落，得到质量轻的物体在某些情况反而比重的物体下落得快，学生看到这个实验后，会意识到是因为空气阻力的原因，导致物体下落快慢存在差别。

但是，这个实验只能证明亚里士多德关于重的物体下落得快是一个悖论，并不能直接证明在没有空气阻力的情况下，所有的物体下落的快慢相同。而牛顿管实验是证明这个结论最经典的实验，牛顿管虽然现象明显，证明过程严谨，但是牛顿管的缺点是不易操作，需要抽气机将管内空气抽取干净来对比空气存在时物体下落的快慢。

一、伽利略“冲淡”重力思想

伽利略“冲淡”重力思想是源于伽利略著名的斜面实验。这个实验其实是为了证明自由落体是匀加速直线运动，但是考虑到当时对于“速度”“时间”的测量存在一些困难，伽利略想到了，既然竖直方向上的运动时间短不好测量，能否考虑将物体放在斜面上让之下落？所以，通过在斜面上的测量，伽利略发现，小球在斜面上往下的运动是匀加速直线运动。随着斜面倾角的增大，小球依然能保持匀加速直线运动，只是加速度的数值发生了变化。所以，伽利略进行了合理外推，他认为，斜面倾角90度是一个特殊的斜面，小球还是应当遵循之前的运动规律，那就是匀加速直线运动。

在这个实验中，我们发现，伽利略的想法体现了“从量变到质变”的过程，斜面很好地削弱了重力对小球下落的影响。这种“合理外推”的逻辑推理很符合高中生的认知发展过程，笔者对于这种方法进行了深入的思考，发现还可以用于对物体下落快慢的探讨当中，基于伽利略的“冲淡”重力，笔者将“冲淡”阻力的思想运用到最初的下落快慢实验中来。

二、“冲淡”阻力思想在自由落体中的应用

取6只试管，A组两个试管内部盛有洗洁精，B组两个试管内部盛有纯净水，C组两个试管内部没有任何液体，我们认为内部盛有空气。从试管内部的物质来看，A组的物质最稠，B组次之，C组最稀。假如有物体分别在三组试管中下落，那么，A组受到的阻力将最大，B组次之，C组最小。这组实验器材达到了“冲淡”阻力的目的。现在准备一个实心铁球和橡胶球，要求铁球比橡胶球质量大，依次在三组试管中释放小球，观察实验现象。

A.洗洁精

B.纯净水

C.空气

我们可以看到，在三组试管中，小球的下落情况差别很大，如图所示。A组中，明显铁球下落的比较快，B组中，虽然依然是铁球下落得比较快，但是相对于A而言，铁球和橡胶球的差距在减少，而在C组中，铁球和橡胶球下落几乎一致。经过分析，我们可以得出，随着阻力的减小，不同质量的小球下落快慢程度逐渐接近。就像伽利略对斜面进行合理外推一样，我们可以同样推出，假如是真空，不同质量的物体下落快慢程度相同。

三、总结和反思

在本实验中，因为试管、洗洁精、纯净水、铁球、橡胶球在生活中容易获得，学生自己操作的可能性很大。因此，本实验是很典型的非常规物理实验。非常规物理实验是指主要利用学生熟悉的生活易得物品、材料、器具以及儿童玩具等开发进行的一类体现自创性、体验性、趣味性、简易性、生活化的物理实验教学活动。非常规物理实验这一概念的提出主要是为了弥补常规物理实验在教学中的不足，希望能够将常规物理实验和非常规物理实验结合起来，最大限度地发挥物理实验在中学物理教学中的功能。

非常规实验有着环保、节约、易得、极简、创新等优点。除此之外，这些实验器材的可替代性也很高，例如，将铁球换成玻璃球，将洗洁精换成食用油，将试管换成矿泉水瓶等，因为选用了生活中常见的实验器材，会让学生有一种亲切感，所以，这种非常规实验也是我们所倡导的。

对于本实验在课堂中的安排，笔者认为需要做一些铺垫。首先要让学生意识到“阻力”是影响物体下落快慢的重要因素。我们可以将同一张纸折成纸团和纸张下落对比试验，让学生意识到，质量相同的纸团和纸张下落快慢不同是因为纸张受到的空气阻力比较大引起的。然后再去做三组阻力不同的实验，探究阻力的变化如何影响物体下落的快慢。最终得到，没有阻力的时候，不同质量的物体下落快慢相同。

［1］张伟，郭玉英，刘炳升.非常规物理实验：有待深入开发的重要物理课程资源［J］.物理教师，2005，26（9）：27-28.

［2］张伟，郭玉英，刘炳升.“非常规”物理实验概念探讨［J］.物理实验，2006，27（8）：27-28.

·编辑王团兰