谈自由落体运动的教学
张俭
《高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中有“注重科学探究”的理念和“经历基本科学探究过程，具有初步的科学探究能力”的目标，更加重视了科学探究的教育作用，强调了过程和方法的学习。
物理学在长期的发展过程中形成的科学方法，不仅对物理学的研究而且对整个自然科学甚至社会科学的研究都有较大影响。进行物理科学方法的教育，也就是常说的培养学生具有一副“物理”的头脑，懂得在物理科学中，人们是如何思考，如何发现和研究、解决各种问题的。在课堂教学中，应该尽可能重现人们对物理世界的认识过程，通过对生活实际中物理现象的回忆、通过课堂上的演示实验（包括互动实验）、通过资料的说明，把实验、观察和理论思维有机地结合起来。引导学生去看、去做、去想，使他们在长期的潜移默化的过程中，受到科学方法的锻炼和科学思想的熏陶，养成良好的科学品质。
本课的地位：自由落体运动的教学在高中物理教学中具有特殊的地位，虽然在知识上它是作为匀变速直线运动教学之后的一个特例，但是在整个高一年级教学的安排上，由于匀变速运动的教学重点在于规律的应用，自由落体运动的新课教学则要向学生介绍近代物理的先驱伽利略是如何进行研究的——这是向高中学生首次介绍伽利略的物理学研究方法的教育，它在整个高中物理教学中具有特殊重要的意义。
本课的教学设计要解决两个问题：一是怎样引入课题和分析论证课题;二是介绍伽利略在物理研究方法上的特点以及自由落体运动规律。这两个问题是统一的，前者是教学的组织，即课程流程的形式;后者是课题的内容，即课程资源的配置。这两者的结合便是本课教学的任务。
一、课题分析及教学设计
自由落体运动是学生接触到的一种重要的理想条件下的运动。在一般的教学中，教师的讲授往往停留在批判亚里斯多德的错误论断，证明伽利略的观点，学生也往往满足于获得“轻、重物体下落得一样快”这样一个结论。显然，从方法教育的角度来说，这样的教学给学生的知识是很肤浅的。
事实上落体运动受多种多样因素（物体轻重和形状、下落速度等等）的影响，因而在本课的学习中，应使学生懂得如何通过对影响落体运动的各种因素的分析，把运动的条件理想化，正确地提出问题——研究真空条件下的落体运动才是教学的重心;还应使学生懂得在实际的研究中，如何创造近似于理想化的条件，从而找到自由落体的运动规律。
二、教学过程
（一）课题的引入
叙述日常生活中的落体现象，比如树叶的飘落、投篮的篮球等，对这些的轨迹作一些简单的描述。
演示：1. 光盘从空中由静止掉下来;
2. 与光盘表面等大的圆纸片从空中飘下。
与学生分析得出落体中最简单的运动轨迹也应是直线。物体之所以会下落，是由于受到了重力的作用，落体运动是一种很有代表性的变速运动。
提问：（1） 落体运动具有怎样的运动性质？
（2） 这种运动是什么性质的运动呢？
比较光盘和纸片下落的快慢，根据日常生活经验，可以得出“重的物体下落快”的结论。
演示：光盘与光盘表面等大的圆纸片在同样高度一起下落。
亚里士多德研究的方法是观察与思考，他认为人类只要凭借观察自然现象，再加上大脑的思考便足以建立起宇宙间万物变化的规律。在其后两千多年的时间里，人们一直信奉他的这种看法。那么他的看法是否正确呢？
（2） 对“重的物体下落快”的结论的质疑
师生互动演示：请同学们重复光盘和圆纸片下落的实验，比较：
1. 圆纸片与同类圆纸片捏成的纸团在同样高度一起下落;
2. 光盘与光盘表面等大的圆纸片捏成的纸团在同样高度一起下落;
3. 比光盘重的书和光盘在同样高度一起下落;
4. 圆纸片放光盘下一起下落;
5. 圆纸片放光盘上一起下落
描述实验中出现的现象：
（1） 的现象是纸团比圆纸片下落得快;
（2） 的现象是两者几乎同时落地;
（3）的现象是比光盘重的书本比光盘后落地，说明“重的物体下落快”的结论不正确。
提问：上述现象是什么原因造成的？（由于之前的认知基础，学生会回答下落快慢不同是由于空气阻力造成的）
[注：在这里借学生的回答可让学生感受要获得真理，就不能盲从任何以前的权威，由此体现出伽利略质疑的艰难和实验的重要。]
其实有传说伽利略在比萨斜塔上做过实验，结果是大、小铁球同时落地。現有资料显示，伽利略对落体运动的研究是另有它法，先且不论伽利略的方法如何，至少对我们来说有几点是很有启发的：
1. 伽利略敢于向亚里士多德这样的大权威挑战;
2. 伽利略懂得用实验来检验自己的推论并且用事实来说服和自己持不同观点的人;
3. 伽利略对亚里士多德的“重物体比轻物体下落得快”的说法有一段很精彩的反驳，大意是：将轻重不同的两个物体都绑在一起，从一个角度看，它们的总重量比原来较重的那个物体还要大，按照亚里士多德的观点，它们应该下落得比原来较重的物体还要快些;但从另一个角度看，由于轻、重物体之间相互牵扯，则它们一起下落应该比原来较轻的物体快些，而又应该比原来较重的物体慢些。这说明亚里士多德的观点本身存在矛盾。
[注：请注意，这番辩论只证明了亚里士多德观点的内在矛盾，而没有证明轻、重物体下落得一样快。]
（二）运动的分析
1. 正确地提出问题，研究真空条件下落体的加速度
第一个问题：我们应该在什么条件下研究不同物体的下落运动？
思考：怎样才能使纸片下落变快？
把圆纸片捏成纸团（之前已做过），或把圆纸片放置在光盘的下面，或纸片紧贴在光盘的上面（这个方式的实验现象相当震撼），看到的现象是圆纸片随光盘下落，显然圆纸片下落变快。E227C040-01ED-487B-B6E2-172084992B78
总结：从刚才的实验看，物体下落的快慢和轻重（质量）的关系比较复杂，既不能说越重越快，也不能说越轻越快;重量相同的两个物体，下落快慢也可能不同。需要换一个视角来研究这个问题：除了物体受到的重力以外，还需考虑其它因素。
再提问：这个因素是什么？
这个因素是：空气阻力。
由于影响空气阻力大小的因素太复杂（如物体的形状、速度的大小、空气的密度等），所以我们最好先研究物体在没有空气阻力的条件下的下落规律。
给出“自由落体”的定义：物体在只有重力作用下从静止开始下落的运动叫自由落体运动。“自由落体”在地球大气层里只能是一种理想的运动。但当空气阻力不太大时，实际的落体运动往往也可以近似地看作是“自由落体”运动。
[注：在科学研究中，通过对纷繁复杂的现象的分析，理出头绪，正确地提出问题，是非常关键的。从研究“轻、重物体哪个下落得快”到研究“物体在没有空气阻力条件下的下落运动”是一个飞跃。]
第二个问题：什么是物体下落的“快”和“慢”？
这可以是指物体在一定时间内下落距离的长短，或指物体下落一定距离所需时间的长短。这里表述的是“平均速度”，而落体运动本身是一种变速运动，因此比较两个落体速度的大小也是无意义的。
提问：对一种变速运动来说，最能反映它的运动特点的，是什么物理量呢？
这个量是加速度。因此，我们做了以下的猜想：
（1） 不同物体自由落体是不是具有相同的加速度？
（2） 自由落体的加速度是多少？
就第一个问题而言，由式y=at2/2，我们通过比较各自由落体下落相同距离所需时间是否相同，来判断它们的加速度是否相同，至于自由落体加速度的大小，也容易通過实验来测定。
[注：这一段从人们的直观印象“快”“慢”，上升为研究加速度的大小，从而使思维更加严密。最后由式y=at2/2仍归结为比较各物体下落相同距离所需时间的长短，但显然思维的深度已经不同了。]
2. 实验检验
现在让我们通过实验来具体地研究一下自由落体运动。
提问：怎样才能使一个物体作自由落体运动呢？
物体不受空气阻力。
当然，用抽气机并不能把实验装置里的空气完全抽尽。但只要空气足够稀薄，空气阻力比物体受到的重力小很多，则物体的下落运动就非常接近自由落体运动了。那么我们是否可以从相反的方向想一下，如果物体的密度很大（因此体积相对来说很小），而且它的形状截面很小，则即使不把空气搞得很稀薄，空气阻力与重力比较还是可以忽略，而物体的下落运动仍很接近自由落体运动，就像比萨斜塔实验中的两个球一样。
演示：牛顿管实验
让学生观察管与外界相通时，羽毛、软木塞、铜片的运动，再将牛顿管抽成真空，观察羽毛、软木塞、铜片在无空气阻力时的落体运动。抽真空时，羽毛、铜片和软木塞同时落到管的底部。
[注：强烈的反差给学生的心理带来了极大的震撼，学生情绪激昂，为自己的假设得到验证而感到兴奋，同时为物理实验的魅力所折服。]
介绍：1971年，美国宇航员斯科特在月球表面上，将一把铁锤和一片羽毛从同一高处同时放下，结果他观察到两个物体同时落“月”。
[注：由此而产生的对物理学科的情感是用其它方法无法获得的，这种情感就会化作学好物理的坚定信念。]
总结：在空气阻力可忽略的条件下，质量不同的物体下落的加速度相同。这个加速度又可称为重力加速度。
[注：使学生理解控制条件进行实验研究是物理研究中的一种基本思想，同时理解理论上的理想条件与实际研究中的近似条件之间的辩证关系。]
（三）规律的应用
师生互动小实验：测量“反应时间”。
1. 器材：长30cm的塑料尺。
2. 步骤：请一位同学用两个手指捏住尺子顶端，另一位同学用一只手在尺子底部做握住尺子的准备，但手的任何部位都不要碰到尺子。当看到放手时，另一位同学立即握住尺子。测量出尺子从下落到被握住的距离h。
3. 成品：根据自由落体的公式折算，在尺子上写上反应时间的数值，就是一把测量反应时间的尺子。
[注：把测量反应时间改变为测量物体下落的高度，把较难测量的量改变为把较易测量的量，这是对物理量的一种间接测量，是测量变换的物理思想。]
三、教学说明
爱因斯坦有句名言：“对真理的探求比对真理的占有更可贵”。本节课主要考虑了两个问题：一是怎样提出课题并且论证课题，也就是如何组织教学的问题;二是介绍自由落体运动规律，以及伽利略在物理研究方法上的特点，即落实教学内容本身。在教学过程中，采用实验探究的思路，从身边的现象入手分析，通过实验创设思维情境，贯穿科学方法这条主线，在实验、思考、探究、再实验、再思考、再探究……的一系列活动中，使学生对自由落体运动的认识由“前概念”逐步升华为科学的理论和规律。同时在教学的实施中尤其重视调动学生学习的积极性，充分发挥学生的主体作用。E227C040-01ED-487B-B6E2-172084992B78
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