李紅娜

一、引言

“伽利略對自由落體運動的研究”是新課標中重要的一課，對學生提出的具體要求是：通過史實，初步了解近代實驗科學產(chǎn)生的背景，認識實驗對物理學發(fā)展的推動作用；經(jīng)歷勻變速直線運動的實驗研究過程(應(yīng)用打點計時器)，理解位移、速度和加速度，了解勻變速直線運動的規(guī)律，體會實驗在發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律中的作用。近年來，西方科學史教育中出現(xiàn)新的動向，比如有些美國大學建立了物理學史實驗室，選擇一些在物理學發(fā)展史上有重要意義的基本實驗，按照原來的設(shè)計和裝置以及實驗操作方法再現(xiàn)出來，使學生跟蹤偉大先驅(qū)們的創(chuàng)造足跡，領(lǐng)會他們的思路，獲得從常規(guī)教學中得不到的才能。這些工作，都大大豐富了物理教學的內(nèi)容，推動了物理人才的培養(yǎng)。所以，本文將采用一種基于活動的科學史教學方法，即“伽利略斜面再現(xiàn)實驗”活動，讓學生以物理學家認識物理世界的本來面目去認識物理世界，獲得認識世界和進行科學研究的能力和方法。

二、“伽利略斜面再現(xiàn)實驗”活動

在現(xiàn)代生活中，很難想象如果訓練賽跑時沒有秒表、游泳比賽時沒有電子計時器的結(jié)果。我們廣泛地運用電子設(shè)備分析物體的運動情況。比如，電子眼會幫助警察探測到超速行駛的汽車。但是17世紀的科學家在進行科學研究時卻沒有這些電子設(shè)備的協(xié)助。在照相機、秒表、電子計時器出現(xiàn)之前，科學家必須用其他方法研究物體的運動。例如，牛頓為了測回聲往返的時間必須調(diào)整鐘擺的長度。聲音經(jīng)過一段走廊的長度，遇到墻反射回來，當牛頓聽到回音的同時鐘擺必須回到他的手中；伽利略在教堂做彌撒時，用自己的脈搏測定天花板上來回擺動的大燈的擺動周期。

通過用早期科學家的方法研究物體的運動，高中學生可以從歷史角度重新審視科學。本文描述的“伽利略斜面再現(xiàn)實驗”活動要求中學生重現(xiàn)伽利略對勻加速運動的研究。伽利略首次做這個實驗是在17世紀，在《兩種新科學的對話》中描述了斜面實驗的結(jié)果。

1、準備

教學目標是不借助現(xiàn)代計時裝置研究勻加速運動。進行實驗之前，學生必須具備有關(guān)運動的知識：速度公式、勻速運動的s-t圖象(一條直線、直線上任一點的斜率表示瞬時速度)。本次實驗活動研究物體的勻加速運動(速度不斷變化)，勻加速運動的s-t圖象是一條曲線，所以學生更難掌握。

2、器材

3～5m長的軌道，伽利略詳細描述了他所使用的斜槽軌道，“長約12庫比(約5.5m)、寬約半庫比(約23cm)、厚三指的木板，在邊緣上刻一條一指多寬的槽，槽非常平直，經(jīng)過打磨，在直槽上貼羊皮紙，盡可能使之平滑?！蔽覀兛梢杂媒ㄖ嫌玫匿X合金板材做斜槽，板材上本身就有較合適的小槽；6～10個小鈴鐺，每一個都系上線；米尺；方格坐標紙；木球；大理石球；橡膠球。

3、步驟

(1)將全班學生分組，每組6～10位學生。每一組都配有軌道。

(2)抬起軌道的一端，大約離地20～30cm。

(3)讓每一組學生都舉著小鈴鐺，在軌道上方Lcm處。

(4)讓站在軌道抬高一端的學生釋放木球。當球沿軌道滾下來時，木球必須撞響小鈴鐺，而且不能很明顯地影響球的速度。

(5)讓學生不斷地調(diào)整小鈴鐺的位置，直到滾下來的球撞擊小鈴鐺時，發(fā)出的鈴聲具有穩(wěn)定不變的節(jié)拍為止。保證每兩次撞擊所用的時間相等。學生會發(fā)現(xiàn)鈴鐺之間的距離不相等，從軌道上端到下端逐漸增加。

(6)一旦鈴被安放好，教師就讓學生用米尺測量從軌道上端到每一個鈴的距離，記錄數(shù)據(jù)(見表1)。

(7)最后，學生用所得到的數(shù)據(jù)作圖(見圖1)。橫坐標是鈴的編號，縱坐標是位移。當學生將數(shù)據(jù)點用平滑的曲線連完，學生會發(fā)現(xiàn)這條曲線類似于拋物線。拋物線的數(shù)學形式是y～x²。學生觸摸到了勻加速運動的數(shù)學本質(zhì)。

在這次活動中，學生在繪圖之后會發(fā)現(xiàn)勻加速運動的位移與時間的關(guān)系式是d～t²(見圖2)。

4、討論

全班討論時，教師可以問以下問題：

(1)從軌道上滾下來的木球所經(jīng)過的距離d₁，d₂，…，d₈是等差的嗎?(不是。如果等差，那么球的速度不變)

(2)你怎樣描述距離d₁，d₂，…，d₈隨時間的變化規(guī)律?(距離隨時間不斷增加，而且以漸增的比率)

(3)利用你所做的圖，找出鈴9的位置。(在坐標紙上延長曲線后，推算出下一個連續(xù)數(shù)據(jù)點的位置)

(4)使軌道傾斜一個更大或更小的角度后會發(fā)生什么情況?球還會以穩(wěn)定不變的節(jié)拍撞擊小鈴鐺嗎?(是的。球撞擊小鈴鐺所經(jīng)過的時間取決于傾斜的角度變大或變小，而節(jié)拍不會變)

5、拓展

其他班的實驗活動可以用同樣的器材檢測滾動物體的能量變化。將軌道并排放置在一起，準備各種大小和不同材料的球?讓學生預(yù)測哪種球先到達軌道底端。許多學生會感到疑惑，為什么小半徑的球到達底端會更快。另外，光滑的球比如大理石球，會比同樣大小的橡膠球更快到達底端?

這些結(jié)果的解答需要用到能量的知識，特別是球?qū)④壍郎隙说闹亓菽苻D(zhuǎn)變成球的轉(zhuǎn)動動能和平動動能的知識。球的轉(zhuǎn)動動能的大小取決于球的半徑和轉(zhuǎn)動的速度；平動動能只取決于球通過一段距離移動得有多快。如果不考慮由摩擦造成的能量損失，球的平動動能和轉(zhuǎn)動動能等于最初在軌道上端的重力勢能。

雖然相同質(zhì)量的兩個球具有相同的重力勢能，然而半徑大的球?qū)⒋蟛糠种亓菽苻D(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)動動能，很少一部分轉(zhuǎn)變成平動動能，所以半徑大的球會移動得比較慢。相反，半徑小的球?qū)⒑苌俚闹亓菽苻D(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)動動能，而其余大部分的重力勢能轉(zhuǎn)變成平動動能，所以半徑小的球移動得比較快。光滑的球不會滾動，而是滑動。只滑動的球?qū)⑷康闹亓菽苻D(zhuǎn)變成平動動能。

三、結(jié)論

開展“伽利略斜面再現(xiàn)實驗”活動需要合作、交流和一個安靜的教室環(huán)境。這種基于活動的科學史教學方法給學生創(chuàng)造了一個機會，使每一個學生都探究了物理學運動知識，獲得了直接體驗，而不是簡單地驗證已經(jīng)知道的知識，而且測量和坐標圖分析也正是初高中物理課程所要求的。通過這種基于活動的科學史教學方法，學生能獲得科學的歷史觀點，這體現(xiàn)了物理新課程標準的目標：進一步提高科學素養(yǎng)，滿足全體學生的終身發(fā)展需求。

這種基于活動的科學史教學方法使學生在沒有現(xiàn)代測量設(shè)備的情況下研究大自然中的運動(比如勻加速運動)，體會數(shù)學在研究物理問題中的重要性。學生會發(fā)現(xiàn)勻加速運動的坐標曲線與拋物體在空中運動的路徑是一樣的形式。大自然的信息用數(shù)學語言寫出來是什么樣的，所用的文字就是三角形、圓形和其他的幾何圖形。希望我們的學生都能得出伽利略似的科學結(jié)論。