“落體運動”教學設計

　　“課堂教學信息化的創新探索”專輯
　　為了能夠深入探索“課程整合”，我們編發了三個基于信息環境實施的課堂教學案例，并邀請上海市教育科學研究院現代教育實驗室的蔣鳴和教授作了深入的點評。我們希望能夠通過具體案例的展示與分析，給讀者帶來一些思考：如何從更深的層次推進課堂教學的信息化。
　　
　　教學目標
　　
　　初步體驗實驗和邏輯推理在物理規律研究中的作用。
　　掌握研究物體運動規律的一般方法。
　　知道自由落體運動和日常生活中的落體運動的關系。
　　掌握自由落體運動的規律。
　　開闊視野，了解更有趣的物理現象。
　　
　　教學用具
　　
　　能夠上網的計算機一臺以及相應的投影設備。
　　每個實驗小組（2～4人）有一套研究自由落體運動規律的實驗器材：打點計時器、紙帶、重錘和鐵架。
　　
　　教學過程
　　
　　“關公戰秦瓊”——亞里士多德PK伽利略
　　教師講述歷史上對落體運動的研究過程，同時引導學生通過角色扮演，進行探究活動。
　　讓三國的關羽和唐朝大將秦瓊比武，這是一個相聲。然而在物理學的發展史上，這樣的事情卻上演了。古希臘物理學家亞里士多德和近代物理學家伽利略相隔千年，針對同一種司空見慣的現象進行了大比拼。
　　亞里士多德認為：重的物體下落得快，輕的物體下落得慢。
　　教師要求學生設計一些小實驗，對亞里士多德的觀點進行證實和證偽，從不同角度進行說明。
　　實驗舉例
　　實驗一：用一塊小石頭和一張紙，同時從同樣的高度落下，會發現相對較重的小石頭比相對較輕的紙下落得快。（證實了亞里士多德的觀點。）
　　實驗二：用兩張大小不一樣的紙，將小一點的紙團成紙團，將大的紙平鋪開，同時從同樣的高度落下，會看到輕的紙團下落得快。（證偽了亞里士多德的觀點。）
　　通過小實驗，學生對亞里士多德的觀點進行初步判斷。爾后，教師介紹伽利略是如何從邏輯推理的角度批駁這種觀點的。
　　有A和B兩個物體，并且A比B重，根據亞里士多德的觀點，A下落得快。
　　推理1：A和B連接起來之后，由于A下落得快，將向下拉動B；又由于B下落得慢，將向上拉動A，所以這個“聯合體”將下落得比A慢，比B快。
　　推理2：A和B連接起來之后，由于它們共同的質量比任何單獨一個都大，根據亞里士多德的觀點，“聯合體”將下落得比A、B都快。
　　由此知，應用亞里士多德的觀點分析同一個運動狀態，出現了不可調和的矛盾。
　　伽利略用上述推理，巧妙地否定了亞里士多德的觀點。
　　伽利略對落體運動進行了深入的研究，但是沒有像亞里士多德那樣研究真實環境中的落體運動，而是研究了沒有空氣阻力情況下的物體下落的規律。為什么他選擇了研究沒有空氣阻力條件下的落體運動作為研究對象呢？
　　研究自由落體運動
　　應用http://www.explorelearning.com網站提供的互動程序向學生講解研究“自由落體運動”的原因。如圖1所示。
　　在互動程序中分別設定不同的空氣阻力值，顯示出在不同空氣阻力條件下物體下落過程中位移、速度、加速度各個物理量的圖像。從圖像中可以看出，當空氣阻力越小，加速度的變化越小，速度的變化越趨近于一次函數關系；當空氣阻力為零的時候，加速度是一個恒量，速度變化圖線是一條直線，所以，此條件下的物體運動最簡單。物理研究往往從簡單的運動開始，因此，伽利略選擇了研究“沒有空氣阻力”條件下物體的運動，這種運動我們稱之為“自由落體”運動。
　　在互動程序中，分別通過改變物體的截面半徑和質量大小，完成同樣的虛擬實驗，發現當截面面積比較小或者質量比較大時，即使有空氣存在，由于此時阻力相對物體重力很小，物體下落過程中加速度的變化不太明顯。由此向學生說明，在日常的情況下，當空氣阻力相對物體重力可以忽略不計或者很小的時候，也可以把該物體的下落視為自由落體運動。
　　指導學生以小組為單位，通過實驗對自由落體進行研究。以下是實驗探究過程簡介。
　　如何研究自由落體運動的規律
　　根據提供的實驗器材以及已經掌握的測量物理速度、加速度的方法，討論研究自由落體運動規律的實驗方法。
　　1.做實驗，獲取實驗數據
　　各個小組根據本組討論的實驗方法進行實驗，并記錄實驗數據。
　　2.分析數據，得出結論
　　各個小組對實驗數據進行分析，得出本組的結論，并且要求用數學函數式的形式表達出本組的自由落體運動規律。
　　3.成果共享
　　各個小組公布本組的實驗結論，最后在教師的指導下達成全班的共識，得到自由落體的運動規律及其函數表達式。
　　應用和拓展
　　對自由落體運動規律進行簡單的應用，在選擇例題時候，要能夠和下面的拓展學習進行銜接。
　　拓展學習內容
　　提問學生，隨著物體下落的高度增加，它的末速度會如何變化呢？
　　學生可能用剛剛學習過的規律給予回答，由于高度增加，下落時間就越長，所以物體速度就越大。教師要在講解中說明，如果物體不受到阻力作用或者阻力可以不計的時候，這個結論是正確的，但是如果有不可忽略的阻力存在的時候，結果會是如何呢？
　　教師演示http://www.explorelearning.com/網站的互動程序，顯示出在有空氣阻力的情況下，從足夠高的高度下落的物體的位移、速度和加速度的變化圖像，并且明確指出這種情況下物體的末速度趨近于某個固定的數值，如圖2所示。
　　在教學過程結束的時候，教師建議學生可以利用課下時間，在有條件的環境中（比如家庭、網絡教室）應用http://www.explorelearning.com/網站的互動程序，對落體運動進行更廣泛的研究。
　　
　　注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文