李康康

(安徽省宿城第一中學(xué)，安徽 宿州 234000)

物理學(xué)史不僅描述了物理學(xué)中的概念、規(guī)律和科學(xué)研究方法發(fā)展的脈絡(luò)，更加揭示了物理學(xué)觀念、方法發(fā)生與發(fā)展的內(nèi)在原因和規(guī)律，是一部研究人類(lèi)對(duì)自然界中各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)史。[1-2]翻開(kāi)物理學(xué)的發(fā)展史，可以發(fā)現(xiàn)這不僅是人類(lèi)不斷思考、研究方法不斷進(jìn)步、規(guī)律不斷完善的歷史，更展現(xiàn)了無(wú)數(shù)科學(xué)家探索自然、獲得真知的過(guò)程。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》明確了“自由落體運(yùn)動(dòng)”的內(nèi)容要求：“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)合物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容，認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理在物理學(xué)研究中的作用?！庇纱丝芍杂陕潴w運(yùn)動(dòng)規(guī)律的習(xí)得離不開(kāi)對(duì)物理學(xué)史的研究，這就要求教師在教學(xué)過(guò)程中不僅要關(guān)心知識(shí)的“去脈”，更要關(guān)心知識(shí)的“來(lái)龍”，不僅要把精力放在知識(shí)的應(yīng)用上，更要注重知識(shí)的構(gòu)建過(guò)程，使得概念的建構(gòu)與規(guī)律的探尋更加符合學(xué)生的認(rèn)知，更加符合物理的學(xué)科邏輯。

筆者在教學(xué)中貫徹科學(xué)史、哲學(xué)和社會(huì)學(xué)(HPS)教育理念，引領(lǐng)學(xué)生一起沿著科學(xué)家的探索足跡還原歷史過(guò)程，創(chuàng)設(shè)情境，再現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)進(jìn)階學(xué)習(xí)，感受科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，逐步樹(shù)立科學(xué)的世界觀，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 感受自然之美，明了亞里士多德錯(cuò)在哪里

“一葉落知天下秋”，通過(guò)播放樹(shù)葉、雨滴的下落視頻，讓學(xué)生感受自然界中物體下落的美景，引導(dǎo)學(xué)生去探究生活中物體的下落運(yùn)動(dòng)，從而讓學(xué)生形成一種共鳴：人類(lèi)就是通過(guò)對(duì)自然現(xiàn)象的研究，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的不斷進(jìn)步。

最早研究落體運(yùn)動(dòng)的是亞里士多德，亞里士多德是古希臘哲學(xué)家、科學(xué)家。他通過(guò)對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的大量觀察，歸納得出人們熟知的落體理論：重的物體下落快，輕的物體下落慢。教材中在引入本節(jié)內(nèi)容時(shí)通過(guò)紙片揉成紙團(tuán)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，引起學(xué)生對(duì)此理論的質(zhì)疑。學(xué)生由于對(duì)亞里士多德的研究背景不甚明了，容易對(duì)亞里士多德產(chǎn)生誤解。而事實(shí)上亞里士多德在《物理學(xué)》第4卷第8章中寫(xiě)道：“我們看見(jiàn)一個(gè)已知重物或物體比另一個(gè)快有兩個(gè)原因：或者由于穿過(guò)的介質(zhì)不同(如在水中、土中或空氣中)，或者其他情況相同，只是由于各種運(yùn)動(dòng)物體的重量或輕重不同?！痹谕徽轮?，他說(shuō)明“其他情況相同”是指“形狀相同”即“分開(kāi)介質(zhì)的因素相同”?？梢?jiàn)亞里士多德關(guān)于落體的說(shuō)法是以“物體形狀相同和介質(zhì)相同”為前提條件的。[3]本節(jié)課基于尊重物理學(xué)史的原則，在質(zhì)疑亞里士多德理論正確性的時(shí)候采用了新的實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，讓同學(xué)們準(zhǔn)備一張紙片和同樣大小的一本書(shū)，將紙片和書(shū)舉到同一高度同時(shí)靜止釋放，觀察到符合亞里士多德落體理論的現(xiàn)象：書(shū)下落得快，紙片下落得慢。再讓同學(xué)們把紙片疊放在書(shū)的上面，第二次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以觀察到以下現(xiàn)象：居然是書(shū)和紙片下落一樣快，這樣一個(gè)結(jié)果和很多同學(xué)的猜想是不一樣的，形成了一個(gè)出乎意料的矛盾點(diǎn)，激發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突。此時(shí)，教師進(jìn)一步點(diǎn)明矛盾：把紙片放在書(shū)的上面，紙片下落變得和書(shū)一樣快，難道說(shuō)紙片變重了嗎？學(xué)生思考片刻：沒(méi)有！由此，我們?cè)凇拔矬w形狀相同和介質(zhì)相同”的前提條件下，反駁了亞里士多德落體理論。

2 減小阻力，邏輯推理的力量

歷史上，最早對(duì)亞里士多德落體理論提出質(zhì)疑的是伽利略。伽利略利用被稱為“歸謬法”的邏輯推理方法，揭示了亞里士多德落體理論的自相矛盾，從而證明這個(gè)理論是錯(cuò)誤的。伽利略經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析后認(rèn)為，物體下落只能有一種可能性：重的物體與輕的物體下落得同樣快。

當(dāng)時(shí)伽利略已經(jīng)意識(shí)到生活中重物和輕物下落快慢不一樣是由于阻力的影響，他需要論證在沒(méi)有阻力的情況下，重的物體和輕的物體下落一樣快。受到當(dāng)時(shí)科學(xué)水平和儀器設(shè)備的限制，伽利略沒(méi)有辦法用實(shí)驗(yàn)手段得到在無(wú)阻力情況下的落體運(yùn)動(dòng)，于是伽利略采用了一種很巧妙的方法，借助邏輯推理的力量減小阻力，設(shè)想無(wú)阻力的情景，圖1為伽利略1638年出版的著作《關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)話》中的敘述。

圖1

為了讓學(xué)生真切地感受伽利略邏輯思維的力量，在課堂上可以用實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)他的思路。取體積相同的玻璃球和鋼球，分別在洗衣液、水、空氣三種介質(zhì)中同時(shí)由靜止釋放(圖2)，對(duì)比觀察，討論得出結(jié)論:在三次實(shí)驗(yàn)中，使用三種介質(zhì)，阻力依次減小，物體的下落依次變快，兩物體下落的差距依次減小，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生合理外推到?jīng)]有空氣阻力時(shí)的情況。此時(shí)學(xué)生自然而然地得出結(jié)論：物體將下落得一樣快。那么，結(jié)論是否正確呢？

圖2

教師拿出牛頓管，將管內(nèi)抽成真空，銅片和羽毛的下落一樣快！經(jīng)過(guò)這一教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生由衷地對(duì)伽利略感到敬佩，在技術(shù)條件不允許的情況下，伽利略采用了實(shí)驗(yàn)加邏輯外推的方法得出正確結(jié)論，讓學(xué)生感受到邏輯推理的力量。

3 “沖淡”重力，世界十大最美物理實(shí)驗(yàn)

科學(xué)探索從來(lái)都不是一帆風(fēng)順的，在研究落體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中伽利略遇到了很多困難，他迎難而上，運(yùn)用巧妙的方法一一解決。伽利略針對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng),基于“自然界是簡(jiǎn)潔、和諧”的信念，大膽提出猜想：速度v與時(shí)間t成正比。受到當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，無(wú)法直接測(cè)定瞬時(shí)速度，所以也就無(wú)法直接得到速度的變化規(guī)律，但是伽利略通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算推出結(jié)論：如果物體的速度v與時(shí)間t成正比，那么落體發(fā)生的位移x就與t2成正比。

當(dāng)時(shí)伽利略采用的計(jì)時(shí)工具是水鐘，這樣的計(jì)時(shí)工具無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)所用的短暫時(shí)間。在這種背景下，伽利略想到用“沖淡重力”的方法延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，制作了一個(gè)長(zhǎng)斜面，讓銅球沿著斜面滾下，就可以延長(zhǎng)銅球運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

課堂教學(xué)中，筆者利用一段貼合度很高的視頻還原了伽利略所做的實(shí)驗(yàn)(圖3)，在播放視頻之后，引導(dǎo)學(xué)生參與活動(dòng)，根據(jù)節(jié)拍器去記錄相等的時(shí)間間隔內(nèi)小球發(fā)生的位移，一起去處理數(shù)據(jù)，探究位移與時(shí)間的關(guān)系，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)數(shù)據(jù)學(xué)生發(fā)現(xiàn)：位移x與t2成正比。

圖3

表1

伽利略做了上百次的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)小球沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)確實(shí)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在當(dāng)時(shí)的條件下，在實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)方面作了很多創(chuàng)新，這個(gè)實(shí)驗(yàn)被譽(yù)為“世界十大最美物理實(shí)驗(yàn)”之一。

4 合理外推，發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律

斜面實(shí)驗(yàn)取得了成功，但如何由斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論推理得出落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律呢？伽利略又勇敢地向前走了一步，在斜面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的外推(圖4)：斜面傾角逐漸增大，小球仍然做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)斜面的傾角增大到90°，這時(shí)小球的運(yùn)動(dòng)就是自由落體運(yùn)動(dòng)了。伽利略認(rèn)為這時(shí)小球也會(huì)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，且所有物體下落時(shí)的加速度都是一樣的。伽利略基于斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論進(jìn)行外推，總結(jié)出了自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖4

5 運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)手段進(jìn)行驗(yàn)證，感受時(shí)代的進(jìn)步

隨著科技的發(fā)展，人們可以利用先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)備去驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。筆者在課堂上用手機(jī)拍攝一段物體下落的視頻，借助Tracker軟件分析處理數(shù)據(jù)(圖5)，通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論(圖6)，驗(yàn)證了伽利略的研究結(jié)論：落體運(yùn)動(dòng)的位移與下落時(shí)間的平方成正比。

圖5

圖6

5 結(jié)語(yǔ)

伽利略是一位偉大的科學(xué)家，被后人稱為“現(xiàn)代科學(xué)之父”。伽利略的成功之處，不僅在于找到了正確的落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更重要的在于創(chuàng)立了把科學(xué)受控實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)、邏輯推理結(jié)合起來(lái)的科學(xué)研究方法，愛(ài)因斯坦對(duì)此進(jìn)行了高度的評(píng)價(jià)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開(kāi)端?！?/p>

筆者與學(xué)生一起重走科學(xué)家探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的道路，在探究中提高科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。