基于思维互补的《自由落体运动》同课同构

陈家礼

笔者最近听了一节新教材《自由落体运动》的同课同构课，即两位物理教师同时在一个班授课。这一节课无论是对学生，还是对教师都具有较大的思维启发意义，两位教师的教学思维互补，让学生在思维碰撞中更有效地提升了物理核心素养。本文以《自由落体运动》同课同构课为例探讨高中物理实验探究课的教学。

一、创设实验，展示各类自由落体运动

1. 展示物体在空中的下落运动

教师甲将空中静止悬挂重锤的细绳剪断，让学生仔细观察重锤的运动过程。

教师甲提出问题：重锤的运动行为怎样？

学生回答：重锤由静止开始沿竖直方向加速落到地面上。

如图1，将底面积和厚度相同的一枚硬币和一张图形纸片从同一高度同时下落，让学生仔细观察两物体的运动过程。

教师甲提出问题：硬币和纸片的运动轨迹有何差异？这种差异说明什么？

学生回答：硬币比纸片运动快，说明重的物体比轻的物体下落快。

如图2，将一张纸片与完全相同的纸片捏成的纸团从同一高度同时下落，让学生仔细观察两物体的运动情况。

教师甲提出问题：纸片和纸团的运动有何差异？这种差异说明什么？

学生回答：纸团比纸片运动快，说明影响下落运动快慢的因素不是物体的轻重，可能是空气阻力的原因。

如图3，将一枚硬币与表面贴有纸片的硬币从同一高度同时下落，让学生仔细观察两物体的运动情况。

教师甲提出问题：两物体的运动有何特征？这种现象说明什么？

学生回答：两物体运动过程基本相同，这说明影响下落快慢的因素不是物体的轻重，应该是空气阻力的原因。

为了进一步探究下落运动的本质特征，教师甲将该问题交给教师乙，利用牛顿管进行精确的实验探究。

2. 展示物体在牛顿管中的下落运动

教师乙展示铁片和羽毛同时在牛顿管中下落的运动，从实验中可以看到，有空气存在的管中铁片下落明显比羽毛快，而抽成近似真空的管中铁片和羽毛下落几乎一样快。

教师乙提出问题：演示实验说明什么问题？探究物体的下落运动能得到什么结论？

学生回答：影响物体下落快慢的因素不是物体的轻重，而是空气阻力，在没有阻力的空间，不同物体的下落运动是相同的。

从生活中的情境到精确的物理实验，两位教师充分展现了物体下落运动的本质特征，这种实验探究对学生的视觉体验冲击很大，颠覆了不少学生形成的固有思维（认为生活中重的物体下落比轻的快），同时使学生体会到实验探究对理解或推导规律的重要性。

二、思维互补，得出合理的科学论断

1. 重温历史，再现经典，实现思维上的升华

教师甲从历史的角度介绍伽利略研究物体落体运动的情况，伽利略利用严密的逻辑思维和严谨的科学推理得出禁锢人们两千多年“重的物体比轻的物体下落快”的结论是错误的。

教师甲提出问题：按照前人的观点（重的物体比轻的物体下落快）将轻重不同的两个球绑在一起下落，其下落情况比重球快还是慢？

学生1回答：绑在一起的两个球下落会更快，因为两个球比重球更重。

学生2回答：绑在一起的两个球下落要慢，因为轻球会拖累重球的运动，使两个球下落比重球慢。

教师乙介绍了当时伽利略也是这样思考的，为什么会得到完全相反的结论，答案只有一个：重的物体比轻的物体下落快的结论是错误的。为此，伽利略在意大利著名的比薩斜塔上完成具有划时代历史意义的斜塔实验，将轻重不同的两个球同时从塔顶释放，两球几乎同时落地，从而得出物体的下落运动与物体的轻重无关，在不考虑空气阻力的情况下，所有物体的下落运动是相同的。

2. 总结归纳实验结果，得出合理的科学论断

教师甲引导学生总结归纳落体运动的实验结论：第一，物体只在重力作用下从静止开始下落的运动称为自由落体运动;第二，空气阻力忽略时，物体在空气中从静止开始下落的运动可认为是自由落体运动;第三，一切物体自由落体运动的快慢与其轻重（质量）无关;第四，自由落体运动是速度逐渐增大的匀加速运动。

三、合理利用实验器材，探究自由落体运动的规律

1. 利用重锤的落体，探究自由落体运动的性质

实验时让学生用纸带记录做自由落体运动的重锤的运动情况，并打下一条纸带对应的运动情况，在便于测量的位置取第一个计数点0，每相邻两个计数点之间的时间间隔为t=0.02s。

教师甲引导学生进行实验过程的处理，主要包括数据的测量方法、读数的基本技巧和实验的要领等。

教师乙指导学生进行实验表格的设计、实验数据的处理。学生实验记录的数据表略。

教师甲引导学生利用Excel软件中的图表功能得到重锤落体运动的v-t图像（图略），从图像可以看出，其形状是一条倾斜的直线。可见，自由落体运动是匀加速直线运动，加速度的大小为v-t图像中直线的斜率，大约为9.74m/s2。

教师乙引导学生对自由落体运动的加速度进行较为详细的讨论，得出结论：第一，一切物体做自由落体运动的加速度均相同，且约为g=9.8m/s2;第二，地球上不同纬度的地方加速度的大小有差异，但差异很小，在实际计算中可以取g=10m/s2。

2. 引导学生推导自由落体运动的规律

通过实验探究的方法获取自由落体运动的有关特征后，教师甲通过回顾已经掌握的匀变速直线的公式，要求学生在较短时间内推导出自由落体运动的基本公式。教师乙则引导学生运用自由落体运动的基本公式，解决生产生活中一些简单的问题。

至此，整个同课同构课堂圆满结束，学生在轻松、愉快并积极主动思考的情境中真正体验了物理实验探究课带来的探究乐趣。

思维互补的教学方式给学生带来了思维上启发，学生愿意主动提出问题与授课教师积极交流，同时也能从不同的角度去理解新的物理知识的本质。这种教学模式能促使学生在解决问题中提高探究能力、增强实践意识、养成科学态度，促进学生物理学科核心素养的提升。

责任编辑 罗 峰