汲取“伟人”智慧，创新“素养”提升

王军峰 李晓静

【摘要】 伽利略对于自由落体运动的研究囊括了数学推理、实验验证和思想外推.本文汲取“伟人”——伽利略的自由落体运动研究的思想，并以现代技术手段——Tracker软件获取数据和Origin软件处理数据为抓手，创新自由落体运动的探究过程，促进学生科学探究和科学思维等学科核心素养的提升，以期专家和同行指正.

【关键词】自由落体运动;Tracker软件;Origin软件

1 引言

学科核心素养旨在形成正确的价值观、塑造必备的品格和培养关键的能力.物理学科核心素养包含物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个维度[1].核心素养的大树既要落地生根又要枝繁叶茂，离不开教育教学的发展探索.如图1所示，自由落体运动是一个合适的载体，落实运动与相互作用的物理观念；培养质疑创新、科学推理、科学论证和模型构建的科学思维；践行提出问题、形成猜想、设计实验、记录处理、结论解释和交流反思的科学探究方法；渗透严谨求真的科学态度和责任.

自由落体运动的研究是物理学产生和发展的源头之一，伽利略对自由落体运动的研究涌出活水.汲取“伟人”智慧，伽利略总结出平均速度、瞬时速度和加速度等概念，突破概念困难；坚信大道至简，运用数学，攻克技术困难；搭建斜面、冲淡重力、合理外推，逻辑和实验相得益彰.活水滋养科学思维方式和科学研究方法，推动了运动与相互作用的深入研究.

创新“素养”提升，图象分析、数据处理和仿真模拟等技术高度契合物理教学.Tracker软件是开源的视频分析软件，具备定标建系和逐帧分析的功能，并记录描述运动的物理量，导出数据使用Origin软件分析[2].Origin软件是美国Origin Lab公司开发的数据处理和科研绘图软件，具有完善的数学分析能力.其简单易学、绘图方便和分析准确等特点，广泛应用在物理实验分析[3].

2 回溯物理学史

物理学史对物理学的发展起着重要的作用.回溯物理学史，了解物理学的发展，学习物理学家们解决问题的方法和发现理论的历程.培养学生批判性思维和科学方法，提升他们的科学思维、探究精神和文化素养[4].以两个经典问题为索引，带领学生回到公元1589年.

2.1 符合常识就一定正确吗？

树叶和苹果从同一高度落地，结果可想而知，重的苹果比轻的树叶先落地.亚里士多德基于观察，提出论断：重的物体下落快.这是多么符合人们的常识，以至于奉为圭臬.符合常识就一定正确吗？伽利略大胆质疑，思考实验、仔细分析得出：重的物体与轻的物体应该下落同样快.

2.2 自由落体的加速度恒定？

科学研究未止步，伽利略设计巧妙的实验探究自由落体运动.他坚信大道至简，认为自由落体运动速度变化均匀，即速度随位移均匀变化（v∝x）或速度随时间均匀变化（v∝t）.若v∝x，不妨设v=kx，图象的斜率k=1t（定值），即自由落体运动的时间停滞，这显然十分荒谬[5].而对于v∝t，即v=kt，局限于科技的发展，当时技术手段无法测量v，可观测的物理量有位移x和时间t.x为平均速度（v）和t的乘积，即x=vt，且v=12v，则x=12kt2[6].位移测量较为容易，然而自由落体运动时间极短，脉搏和滴水等方式无法较准确记录时间.伽利略巧妙地冲淡重力，斜面倾角θ小时满足x=12kt2，逐渐增大θ依然满足x=12kt2，外推：当θ增加到90°时，仍然满足x=12kt2，即自由落体运动是匀加速运动.伽利略将实验验证、数学推理和合理外推结合，形成了有效的科学研究方法.

3 利用Tracker探究自由落体运动

利用Tracker对自由落体运动开展实验探究，不仅简单方便、结果可靠，实验过程趣味性强，并且运动情况和实验数据实时显示，有利于培养学生应用信息技术解决物理问题的能力.

3.1 實验装置

使用以下实验器材：实验桌、木板、刻度尺（50cm）、铁架台、小车、钩码（50g）、量角器、手机、三脚架、电脑等.

3.2 调整变量

采取控制变量法，首先探究质量对小车下滑快慢的影响.以θ=15°为例，分别在小车上装载0，1，2，3，4和5这几个钩码，其他因素保持一致.然后研究空载小车分别在θ=15°，30°，45°，60°，75°和90°的运动情况，其他条件保持不变.

3.3 视频录制

保持拍摄画面稳定且与实验桌面水平，按下摄影键，随后将小车从木板顶端无初速度释放，小车离开斜面按下停止键.将视频文件上传到电脑，初步剪辑、命名保存.

3.4 视频导入

打开 Tracker软件，单击文件菜单中的Open子选项，点击File Chooser命令，弹出Open窗口，选择视频后按打开按钮.导入后选定关注的影像片段.打开视频菜单中的视频剪辑固定窗口，根据实际情况调整参数.

3.5 定标建系

为保证视频和真实空间的参数一致，需对视频画面定标.点击工具栏的定标工具，选择定标杆选项，将定标杆和刻度尺的长度重合，然后将定标杆长度设为0.500m.随后，调出坐标轴，将坐标原点与小车前轮轴心点重合，调整角度至坐标轴方向和斜面平行.

3.6 数据采集

选择小车作为研究对象，小车在斜面上平动，将小车看成质点.选取小车前轮轴心点来研究小车整体的运动情况.手动采集数据，按住Shift、点击鼠标左键，进行取点采集并同步记录数据于表格区.

3.7 数据处理

Tracker软件具有数据处理的功能，然而只能处理单一数据、内置的拟合函数较少.并且无法将多组数据同时处理分析，难以高效处理和对比分析.因此，将采集的数据交给数据分析功能更为强大的Origin软件处理.

数据导入Origin软件，选取时间作为自变量，位移、速度分别为因变量.选择Scatter，绘制x－t图象并进行拟合.如图2所示，对于θ=15°，小车装载量不同的x－t图象.图3显示空载小车在不同角度的x－t图象.

4 结论解释

重的物体下落快？亚里士多德的物理学理论主宰很长的时间，推翻根深蒂固的思想，不只是敢于质疑的精神品质，还需要严谨的数学推理、巧妙的实验设计和犀利的洞悉本质.如图2所示，当θ=15°，不同装载量下的x－t的关系基本上相同.x和t近似为二次函数关系，并且系数十分接近.这些现象说明θ固定，质量不同的物体的运动情况几乎相同，即重的物体与轻的物体在斜面无初速度释放的运动时间相同.外推至θ=90°，说明重的物体和轻的物体下落得同样快.

自由落体运动的规律？如图3所示，经过实验探究和数据处理获得的位移x和时间t的关系式近似为x=12kt2.表明θ较小时，空载小车的运动是匀加速直线运动.当θ增至90°时，小车的运动仍为匀加速直线运动.并进行实验验证，小车的自由落体运动满足x=5.06t2，k=10.12，当地的重力加速度g=9.79m/s2.误差主要来自读数和物体高速运动存在重影.

憶史探知，践行伽利略的实验探究和科学思维，生成知识.这个学习过程有利于学生培养动手实践、数物结合和解决问题的能力.经过探究或类比匀加速直线运动的规律，生成自由落体运动的规律：x=12gt2，v=gt.

5 结语

汲史致知，伽利略的探究对高中物理力学、实验教学发挥举足轻重促进作用.采用Tracker和Origin软件创新探究过程，既汲取了科学思维和科学探究的精华，又润泽了科学态度与责任的心灵，还心怀了质疑创新和批判进取的精神.既传承弘扬，又与时俱进.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]苏炳超.用Tracker软件验证斜抛运动的机械能守恒定律[J].物理之友，2021，37（11）：13-15.

[3]曹国红.Origin软件在物理实验数据处理中的应用[J].物理教师，2008，29（05）：38-39.

[4]叶智彬，刘奕辰.物理学史与高中物理相结合的研究——以“自由落体运动”为例[J].数理天地（高中版），2023（20）：36-38.

[5]张石友，吴广国，任栋.伽利略猜想自由落体运动中v∝x的“荒谬”剖析[J].中学物理教学参考，2023，52（13）：47-48.

[6]罗佳玲，朱民.物理学史对培养学生核心素养的作用——以“伽利略自由落体运动”为例[J].物理通报，2020（S1）：124-126.