自由落体运动中“物理学史—探究”的学习方法探讨

孙濛伟

摘要：自由落体运动是高中物理学习中非常重要的知识点，我通过运用“物理学史-探究”方法学习，从学者知识点发现历史来了解和学习知识点，取得了不错的学习效果，故对这种学习方法进行总结，并推荐给更多的同学。

关键词：自由落体运动；物理学史-探究；学习方法

物理学史主要表现了人类探索以及认识物理世界特征、现象、本质以及规律非常重要的历程。我们在对物理知识进行探索的过程中，通过将物理学史与教学融合起来，通过对知识进行“再发现”以及对科学家发现科学的“过程、起因”了解，感受科学家们的思维以及探索过程，感悟物理规律和物理概念的形成，发掘更好的科学方法和思想，明确科学的本质，才能够更好的形成物理认知结构，达到学习的事倍功半[1]。现将我在物理“自由落体运动”知识的学习中，通过“物理学史-探究”具体学习过程作如下总结。

1“物理学史-探究”学习方法

在“自由落体运动”一节中“匀变速直线运动的研究”一章主要起着示例、总结的作用，可以说本章非常重要的部分。其学习难点主要在于能够发现自由落体运动规律及其运用。但因为受到以往经验的影响，我们通常会认为“重物体落得相对较快，轻物体落得相对较慢”，这可能会困扰我们在“自由落体运动”上的学习[2]。为此，我们可以通过“物理学史-探究”的方法来探索自由落体运动，具体方法为：

1.1提出问题

在学习自由落体运动时，我首先提出了两个问题：（1）苹果树上是树叶和苹果同事掉落，会同时落到地上吗？（2）重的物体一定就落得更快吗？为了验证这两个问题，我拿了两张相同大小和材质的纸张，其中一张将其揉成团，让它们从同高度的桌面上一起下落。根据实验现象，我再次思考：在物体下落期间，其运动的情况与哪些因素相关呢？

1.2回顾历史

收集亚里士多德的历史信息，充分了解其生平事迹，总结其对历史的正面和负面影响，概括他的主要物理观点，重点了解亚里士多德在物体所受到的重力与其下落速度呈现为正比观点的了解，简单来说就是传统认为的重物体比轻物体先落到地。通过历史的回顾，我发现早在一千多年前，就有学者对这个观点提出了质疑，但到了16世纪末期，伽利略才对此提出了其个人观点。再次，我对伽利略的的历史信息，充分了解其生平事迹，并分析了伽利略在自由落体运动研究的时代背景以及研究的起因。

1.3重塑历史

1.3.1质疑：通过对亚里士多德以及伽利略观点的对比，可以看到两位学者的观点明显存在反差。而为了验证伽利略的观点，我首先根据亚里士多德的观点进行了两项实验：（1）选取一张纸和一枚硬币同时从同一高度的桌面抛下；（2）将硬币置于纸张的上方，将其视为一个整体将其与纸张、硬币同时抛下。通过实验对比发现，硬币第一个落地，结合了纸张的硬币第二个落地，纸张第三个落地。我认为出现这种情况，可能是由于纸张的轻轻托起了硬币，使得其下落的速度受阻，而纸张则因为受到硬币的重力，使得其下落的速度加快；纸张与硬币的整体较之单纸张明显加快，而与单个硬币比较明显减缓。但是若从另一个层面来看，纸张与硬币的结合明显增加了重力，但却并未没有增加其下落的速度，这与亚里士多德的观点明显不符。为此，伽利略可能是通过这种方式来推翻亚里士多德的观点，其认为只是依照物体本身的重量来判断自由落体运动速度必然会存在诸多缺陷。

1.3.2真空管实验：在对伽利略观点的了解中，物体在下落的过程中，其速度同时还与物体穿过的介质重量存在相关性；而从密度的角度来分析，当物体的密度超过了介质密度时，那么它就会出现明显的下沉，反之则会上升；而材料相同的物体，无论其大小在相同的介质中均会表现出同样的下落速度。为此，伽利略得出了这样的结论：在真空环境下下落时，不同材质的物体其下落的速度主要受到其密度的决定。但经过实验观察，伽利略发现不同材质的物体在不同的介质中下落的速度存在差异，并且表现出明显的介质密度逐渐减小时，物体下落时的速度差也就越小；当其在遭遇到稀薄空气且逐渐接近真空介质时，物体下落的速度也就会无较大差别。基于此，伽利略提出了一个大胆的质疑：在真空条件下，所有物体的下落速度无差别。通过上述分析，我同时进行了“牛顿管”实验：在充满空气的玻璃管内放入金属片与羽毛各一片，将其同时倒转下落，金属片明显下落的更快；但当我将玻璃管中的空气抽取后，两者再次下落，其速度无差别。此时，我了解到了落体运动快慢最大的影响的因素是其介质产生的阻力；在没有任何阻力的情况下，物体的下落与其重量大小无关。

1.3.3斜面实验：因伽利略主要是受到开普勒和哥白尼数学形式获得行星运动规律表述的启发，对物体下落的精确规律进行重新构思。根据不同的情况和因素其提出了两种可能：速度可能与位移呈现为正比；速度可能与时间呈现为正比。为了能够对这个实验做进一步验证，充分考虑竖直方向下落物体速度過快，不容易观察和获取相关数据的情况，故提出了运用斜面来进行的实验方法，也就是较为著名的斜面实验。这是我提出了这样一个问题：伽利略提出的这个斜面实验与自由落地到底有什么关系。可能是由于当斜面的倾斜角度达到90°时，即可实现自由落体运动。这是我通过我网络学习资料进行了物体沿斜面下滑的运用实验，通过观察我发现下滑运动为匀变速直线运动，而直线落体运动也是匀变速直线运动。为此，我认为如果说抽气管实验是一个非常单纯地定性观察方法，那么斜面实验就是伽利略提出的一种定量的测量方法。伽利略通过逻辑推理、实验观测以及数学验算给我们展现了，敢于提出不同观点的勇气以及执着验证观点的精神，非常值得我们共同学习。

2结论

自由落体运动是我们物理知识学习中非常重要的章节，但是我想不少同学与我一样经常面临着传统观念和物理观念的混淆，但我发现在结合了物理学者探究历史的学习之后，我不仅对这种学习方式更加充满兴趣，并且知识点更易掌握，印象也非常深刻。

参考文献

[1]施坚.应用“情境—探究—生成”策略实现物理思维可视化——以人教版必修1“自由落体运动”为例[J].中学物理教学参考，2015，44（07）：5-8.

[2]陈显盈，尤爱惠.对“伽利略对自由落体运动的研究”的三点补充[J].物理教学探讨，2012，30（06）：13-15.endprint