溯源真实物理情境 体验科学探究之美——以伽利略对自由落体运动的研究为例

潘 正

(苏州市东山中学 江苏 苏州 215107)

杨振宁在上海接受记者采访时，曾将他取得成功的奥秘归结为这样一句话：“要站在问题开始的地方，要面对原始的问题，而不要淹没在文献的海洋里(课程·教材·教法 -《对物理教学的哲学思考》- 2005)”.

爱因斯坦说过：“科学结论几乎是以完成的形式出现在读者面前,读者体会不到探索和发现的喜悦,感觉不到思想形成的生动过程,也很难达到清楚地解释全部情况(华东师范大学博士论文 -《化学课程中的科学过程技能研究》- 2007)”.

杨振宁和爱因斯坦表达了同一个思想：科学探究需要溯源.

溯源，即追溯事件产生和发展的根源.物理规律的建立，依托物理学史实，以一些著名的物理定律、物理的重大发现、重要的物理实验为研究对象，探究物理学重要成果的形成过程，体验科学家的工作历程，体会科学家的科学精神.溯源事件的产生和发展过程，能够加深对物理规律的认识，准确把握物理规律.

1 科学探究需要进行溯源

科学探究是物理学科核心素养的重要组成部分，问题的提出是科学探究的起点和基本特征，问题的提出离不开真实的物理情境.

情境认知理论认为，学习的终极目标是要将自己置于知识产生的特定的情境中，通过积极参与具体情境中的社会实践来获取知识、建构意义并解决问题(教育发展研究 -《深度学习视野下的课堂情境》- 2013).学生能力的发展是一个渐进的过程，是一种潜移默化影响的结果，它是一种隐形特征，因而学生能力的培养和发展必须建立在一定的情境之中，这样利于打开学生的思路，培养学生的合作意识、迁移应用能力与创新能力.科学探究需要创立真实的物理情境.

对著名历史事件进行溯源，是真实物理情境创立的一个重要途径.在真实的物理情境下进行科学探究，是学生核心素养培养的一种途径和方法，是核心素养实现的现实基础，同时也是学生进行深度学习的一个重要策略.

2 伽利略对自由落体运动的研究

人教版教材必修一第二章第6节“伽利略对自由落体运动的研究”，不是一节知识传授课，其实质上是一节物理学史溯源课.

伽利略的研究方法可以归纳为图1所示的框图.

图1 伽利略的研究方法

伽利略整个探究过程环节齐全、思路清晰，是科学实验和逻辑推理的完美结合.

3 溯源真实物理情境 体验科学探究之美

3.1 猜想假设 体验科学家智慧之美

关于“落体运动是一种怎样的运动?”，伽利略通过对落体运动的观察，大胆地猜想：“物体下落速度是均匀变化的”.

这种猜想基于怎样的思考?

伽利略认为：“自然界是简单的，一切运动都是以最简单的秩序进行的.”基于这样的思想，对于自由落体运动的规律，他作出两种猜想：

猜想1：速度与位移成正比v∝x.

猜想2：速度与时间成正比v∝t.

【后记】爱因斯坦有一句很著名的话：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”.提出问题的过程是对旧问题换个角度认识的过程，科学家需要一定的想象力，更需要一定的勇气，从中体验科学家智慧之美.

3.2 理论推理 体验逻辑之美

猜想1：速度与位移成正比，即v∝x.

如果v∝x，即

v=kx

(1)

微元法求瞬时速度

(2)

由式(1)、(2)得到

两边积分得到

lnx=kt

最终表达式

x=ekt

作x-t图像如图2所示.

图2 x-t图像

当t=0时，x=1，与实际情况不符.

结论：速度与位移成正比明显不成立，放弃对该方案的实验探究.

猜想2：速度与时间成正比，即v∝t.

如果v∝t，即

v=kt

(3)

微元法求瞬时速度

(4)

由式(3)、(4)得到

Δx=ktΔt

两边积分得到

最终表达式

x=k′t2

【后记】“理论探究”作为科学探究的一个重要途径在这里发挥的淋漓尽致，让我们不仅惊叹，伽利略竟然否定了“速度与位移成正比”这一猜想，这就是逻辑推理之美.

3.3 实验检验 体验经典实验之美

3.3.1 面临困难

(1)瞬时速度无法测量.

(2)时间无法精确测量.

3.3.2 解决方案

(2)时间无法精确测量的解决方案：①利用斜面“冲淡重力”，延长运动时间，减少偶然误差;②还原滴水计时(水钟).

3.3.3 实验准备：还原滴水计时(水钟)

(1)溯源

水钟在中国又叫做“刻漏”“漏壶”.根据等时性原理滴水记时有两种方法，一种是利用特殊容器记录把水漏完的时间(泄水型)，另一种是底部不开口的容器，记录它用多少时间把水装满(受水型).中国的水钟，最先是泄水型，后来泄水型与受水型同时并用或两者合一.自公元85年左右，浮子上装有漏箭的受水型漏壶逐渐流行，甚至到处使用(网页 -《水钟_百度百科》).

(2)还原水钟

1)原理：在一定的装置里，水能保持以相对稳定的速度往下流，容器内的水面随水的流出而下降，根据液面下降的高度就可以测量出时间.

2)器材：带刻度的细长玻璃管、铁架台、试管夹、橡胶软管、止水夹、玻璃管末端的调节阀、烧杯两个、盛水器皿、红墨水.

3)实物图：如图3所示.

图3 还原水钟实物图

4)测定：利用秒表持续测定长玻璃管中流失水的体积与所用时间的关系，测量数据如表1所示，作流失水体积与所用时间的关系图像，如图4所示.

表1 流失水的体积与所用时间的关系

图4 流失水的体积与所用时间的关系

由表1和图4可以看出，长直玻璃管流水速度并不是呈线性关系，随着液面下降，压力降低，水流速度变慢，流速与线性关系偏差较大，进行滴水计时误差较大，所以必须进行纠偏.

5)纠偏：每次测量时保持起始液面相同，即每测量一次需要加注水至起始液面.

纠偏后实验结果图5表明，若每次测量时都使初始液面保持相同，每次流失水的体积相差不是太悬殊时，流失水的体积与所用时间的关系可以近似看成线性关系，这样就可以用流失水的体积来表示时间.

表2 纠偏后流失水的体积与所用时间的关系

图5 纠编后流失水的体积与所用时间的关系

3.3.4 还原“冲淡重力”实验

(1)溯源

伽利略在《关于两门新科学的谈话和数学证明》中介绍了斜面装置：“拿一块12肘长、半肘宽、3 指厚的木板.靠它的边缘刻一道约略大于一指宽的小槽，把这个槽做到尽可能的直和光滑，里面垫上尽可能光滑的羊皮纸.然后拿一个硬的、光滑的、极圆的铜球，放在槽内去滚.将这块木板放在倾斜位置，使一端比另一端高一肘或二肘，再将铜球沿槽去滚……”.(南京师范大学博士论文 -《高中物理教材设计论》- 2004)

(2)还原实验

利用3m长铝合金导轨进行“冲淡重力”实验，如图6所示，邀请3位学生协同完成实验，学生甲负责操作水钟计时，学生乙负责释放小球，学生丙负责发布起止口令，教师负责记录数据.

图6 “冲淡重力”实验

(3)实验过程

1)将导轨平放在实验台上，一端垫高，形成一个较小倾角的斜面，学生丙位于2.5m位置处，发出“开始”指令，同时学生乙将钢质小球从0刻度线处由静止开始释放，学生甲开始水钟计时.当小球运动到2.5m刻度线稍前位置处时，学生丙发出“停止”口令，同时学生甲停止水钟计时，读出流失水的体积(时间)，教师记录在表3，上述操作重复测量一次，取平均值并进行记录.改变测量长度，分别测量出小球经过2.5m,2m，1.5m时流失水的体积(时间)，记录在表3.

表3 小球在较小倾角下位移与时间关系

2)参照上述1)操作过程，不改变斜面倾角，换一个较大小球，分别测量出小球经过2.5m，2m，1.5m时流失水的体积(时间)，记录在表4.

表4 大球在较小倾角下位移与时间关系

3)参照上述1)操作过程，增加斜面倾角，取较小小球重复上述实验，记录在表5.

表5 小球在稍大倾角下位移与时间关系

(4)实验结论

【后记】该实验是物理学十大最美实验之一，利用最简单的仪器，发现最根本的科学道理，建立最根本的科学概念，回归实验探究的本源.同时伽利略率先采用“用实验检验猜想”的科学方法，也是经典实验之美的体现.

3.4 合理外推 体验科学家勇气之美

当导轨与地面垂直时，即倾角增大到90°时，小球的运动就是自由落体运动，小球仍然保持匀加速直线运动的性质，所有物体下落时的加速度都是一样的.至此，伽利略就完成了对自由落体运动的研究.

【后记】合理外推，对假设进行修正和推广，伽利略利用这一步操作完美地对科学研究过程进行收尾，在体现他的智慧之余，更展现出了他极大的勇气.

4 结束语

溯源真实的物理情境，让学生亲身经历一个经典的、环节完备的、完整的科学探究过程，从而让学生切切实实感受到伽利略在科学研究时不怕困难、锲而不舍、执着勇敢的伟大精神，同时学生从实验的设计、操作过程中也体验到了成功的喜悦，让学生真正体验到科学探究之美.