高中物理研究性学习案例——探究运动与力的关系

姚志清 李建莉

（白银市实验中学，甘肃 白银）

在“发射”与“回收”实验中，使滑块在水平的气垫导轨上做匀速直线运动，在某时刻将滑块上小槽里小球竖直弹入空中，观察到滑块继续前进，经过一小段时间后，小球仍然落到滑块上的小槽内。在这个实验中，它仍向前运动，并最终落回到小槽中，也就是说小球向前的运动不需要力来维持。

2000多年前，古希腊哲学家亚里士多德提出：必须有力作用在物体上，物体才能运动。这种观点统治人们的思想有2000年，直到17世纪，意大利科学家伽利略，指出这种说法是错误的。他通过“侦察”方法，发现了正确的线索，揭示现象的本质，成为物理学的福尔摩斯。

一、伽利略的研究

1.伽利略的观点

伽利略认为运动的车停下来是由于摩擦力的原因，运动物体减速的原因是摩擦力。伽利略提出了自己的看法，他指出：物体一旦具有某一速度，如果没有减速的原因，这个速度将保持不变。

2.理想斜面实验

从生活中获知，粗糙程度会影响物体的运动，当球从斜面上向下自由运动时，它的速度增大，而向上运动时，速度减小。伽利略为了说明他对运动与力关系的认识，设计了理想斜面实验，装置图略。

小球沿左边的斜面从静止开始向下运动，小球将“冲”上右边的斜面，如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度，减小右边斜面的倾角，小球在这个斜面上将达到同一高度，但这时它要运动得远些。继续减小右边斜面的倾角，球达到同一高度时就会离得更远。伽利略将此实验外推到将右边斜面放平，得到结论：球将永远运动下去，却不再需要什么力去推动。这就是说，力不是维持物体运动的原因。

3.针和单摆实验

伽利略对摆球摆动现象的实验观察，实验装置如下图：

图1

图2

图1中摆球从某位置释放，做弧线运动，到达最低点，并继续向前做弧线运动，到达与释放处几乎等高的位置，图2摆球前段运动与图1相同，继续运动到摆线的一段被挡住后，摆球仍然能运动至与释放处几乎等高的位置。图2中改变针的位置，小球都试图到达与释放处等高的位置。

实验中选密度大的摆球，可减小阻力对实验的影响。由分析可知，这个实验与伽利略理想斜面实验具有内在联系，改变针的位置相当于改变斜面的倾角，实验结果给理想斜面上小球能回到原来的高度提供了证据。

二、探究力与运动的关系

实验目的：探究水平面上运动的物体会停下来与什么因素有关。

1.探究思路

实验方案：小车从斜面上同一位置滑下以相同速度开始在粗糙程度不同的水平面运动，比较其运动的距离。

实验装置：斜面、铺毛巾的木板、铺卫生纸的木板、一般的木板。

实验步骤：a.固定实验装置；b.在木板上铺上毛巾，把小车从斜面适当的位置自由释放，记录其在最终停止时的位置；c.取下毛巾，并在木板上铺上卫生纸，让小车再从同一位置自由释放，记录最终停止时的位置；d.取下纸巾，重复实验，记录小车在木板上面停止时的位置；e.整理器材。

2.实验信息处理（实验现象初步分析）

实验现象描述

实验次数 接触面材料 受阻情况 小车运动的距离1毛巾 大 短2纸巾 较大 较短3木板 较小 长

对实验现象进行分析得出，表面越是粗糙小车越容易停下来，反之，小车运动更长的距离后停下。

3.外推到光滑平面

用伽利略研究的方法，我们把实验结论外推到光滑，若没有阻力，小车将永远运动下去。

4.补充

完成该实验应该注意的事项：a.木板必须调至水平；b.小车每次都必须从斜面同一高度自由静止释放；c.实验过程中装置、定位标记要始终保持不变。

三、总结

伽利略用理想斜面实验和针与摆球实验从“点到线，线到面”的方法推广到了“若将平面放平，则小球会一直运动下去”，从而得出“力不是维持物体运动的原因”这一结论。应用伽利略研究的方法，可以将实验结论外推到光滑情形中，这样小车将永远运动下去。

四、研究心得

诺贝尔奖获得者汤川秀树曾说，对以往知识的熟知和对新鲜事物及其发展前景的敏感是一个人创造力的源泉。生活处处都是“物理”，关键要有一双善于发现的眼睛和善于思考的头脑。通过研究性学习，体会物理世界的神奇，感受前人的伟大，掌握许多学习方法，提升了自身的能力。