谈伽利略在落体运动研究中科学方法和探究精神.docVIP

谈伽利略在落体运动研究中科学方法和探究精神 　　摘 要 目前我国正在进行新课程改革，高中物理新课程要求“以人为本”，实现学生的全面发展，提高高中生的科学素养，满足全体学生终身发展的需求。而科学精神、科学知识和科学方法是构成科学素养不可缺少的要素，也是当前科学教育最缺少，而又是人们最需要的素养。本文结合新课程的理念、以伽利略对自由落体运动规律的研究为例，详细分析了这一过程中的科学探究精神及科学方法的有效运用。 　　关键词 自由落体运动 科学探究 　　一、历史的回顾 　　亚里士多德通过对大量的物体自由下落的观察，直接得出结论：重的物体比轻的物体下落的快，即“重快轻慢”。由于他在学术界的崇高地位，且该结论符合生活经验，这种论断流传了近2000年。物理学是一门以实验为基础的科学，所以根据直接观察得出的结论常常是不可靠的，将观察加直觉作为物理研究的基本方法，这也是亚里士多德的失败所在。（虽然亚里士多德的著作或观点有一些错误存在，但是这些错误并不能掩盖他的成就，我们要正确的看待他的成就和错误。） 　　直到16世纪，伽利略才发现了这一理论在逻辑上的矛盾。伽利略说，假如一块大石头以某种速度下降，那么，按照亚里士多德的论断，一块小些的石头就会以相应慢些的速度下降。要是我们把这两块石头捆在一起，那这块重量等于两块石头重量之和的新石头，将以何种速度下降呢？如果仍按亚里士多德的论断，势必得出截然相反的两个结论。一方面，新石头的下降速度应小于第一块大石头的下降速度，因为加上了一块以较慢速度下降的石头，会使第一块大石头下降的速度减缓；另一方面，新石头的下降速度又应大于第一块大石头的下降速度，因为把两块石头捆在一起，它的重量大于第一块大石头。这两个互相矛盾的结论不能同时成立，可见亚里士多德的论断是不合逻辑的。伽利略进而假定，物体下降速度与它的重量无关。如果两个物体受到的空气阻力相同，或将空气阻力略去不计，那么，两个重量不同的物体将以同样的速度下落，同时到达地面。 　　为了证明这一观点，1589年的一天，比萨大学青年数学讲师，年??25岁的伽利略，同他的辩论对手及许多人一道来到比萨斜塔。伽利略登上塔顶，将一个重100磅和一个重一磅的铁球同时抛下。在众目睽睽之下，两个铁球出人意料地差不多是平行地一齐落到地上。面对这个无情的实验，在场观看的人个个目瞪口呆，不知所措。 　　这个被科学界誉为“比萨斜塔试验”的美谈佳话，用事实证明，轻重不同的物体，从同一高度坠落，加速度一样，它们将同时着地，从而推翻了亚里士多德的错误论断。这就是被伽利略所证明的，现在已为人们所认识的自由落体定律。“比萨斜塔试验”作为自然科学实例，为实践是检验真理的唯一标准提供了一个生动的例证。 　　既然物体自由下落跟质量无关，那么它到底遵循什么样的规律呢？伽利略用推论否定了亚里士多德的观点后，就开始研究落体运动的性质。 　　二、伽利略的探究之路 　　（一）猜想与假设：伽利略相信，自然界是简单的，自然界的规律也是简单的。他从这个信念出发，猜想落体运动一定也是最简单的变速运动，而最简单的变速运动应该是速度均匀变化的。那么怎样才算是均匀呢？伽利略考虑了两种可能：一种是速度的变化对时间来说是均匀的，比如每过1s，速度变化2m/s；另一种情况是速度的变化对位移来说是均匀的，比如每下落1m，速度变化2m/s。他通过观察与思考，提出一个大胆的猜想：下落物体的速度随时间是均匀增加的。 　　（二）实验验证：有了这样的猜想之后，伽利略先是数学推导，他发现如果速度的变化对位移来说是均匀的，那么将会推导出十分复杂的结论，这与他认为的“自然界的规律是简洁明了的”是相违背的。因此，他就验证“速度的变化对时间来说是均匀的”这种情况是否正确。他通过数学运算得出这样的一个结论：如果物体的初速度为0，而且速度随时间的变化是均匀的，即v∝t，它通过的位移就与时间的二次方成正比，即x∝t2。这样，只要测出通过不同位移所用的时间就可以检验物体的速度是否随时间均匀变化。比如，通过位移x所用时间为t，那么他只需要检验通过4x用的时间是不是2t就能检验物体的速度是否随时间均匀变化。 　　但是要验证还有一个困难。我们知道，物体下落时很快的，而当时的计时工具很落后，只能靠滴水计时，滴水是不能够测量自由落体运动所用时间的。那怎么办呢？ 　　别担心，伽利略是很聪明的，他想出了一个很巧妙的方法。他让铜球沿阻力很小的斜面滚下，小球在斜面上运动的加速度要比自由下落小得多，用的时间也就长得多，测量起来也就相对容易得多。伽利略做了很多次实验，换了不同质量的铜球，让小球从不同的高度滚下，又改变斜面的倾角，最后他得出：小球沿斜面滚下的运动是匀加速直线运动，加速度只与斜面倾角有关，与小球质量、开始滚下时的高度都无关，而且倾角越大加速度越大。 　　但是，小球沿斜面的运动