穿越時空的對話
——新課程背景下物理學史在課堂教學中的應用初探

尹德利

(東方德才學校 北京 100026)

新課程倡導課堂教學要落實“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態度與價值觀”三維教學目標.新課程背景下的課堂教學，教師如何根據教學內容，恰當地選用物理學史料，并以學生喜聞樂見的形式呈現給學生，使學生在輕松掌握知識與技能的同時，受到物理學思想方法的教育、科學態度和科學精神的熏陶，這是值得廣大中學物理教師思考的一個研究課題.近幾年來，筆者在這方面做了許多大膽、有益的探索，由筆者自編自導的課堂物理劇《穿越時空的對話》就是新課程課堂教學改革的一次有益嘗試.該劇分為兩幕:第一幕，伽利略與亞里士多德的對話.通過對話，伽利略用邏輯悖論駁倒了亞里士多德的重的物體比輕的物體落得快的錯誤結論;第二幕，伽利略的記者招待會.通過伽利略答記者問，介紹了伽利略研究自由落體運動的過程和方法.

穿越時空的對話

男主持:女士們、先生們，大家好!

女主持:觀眾期待已久的物理劇《穿越時空的對話》演出現在就要開始了!

男主持:在這個物理劇中，大家將有幸聆聽到兩位不同時代的大師的精彩對話.

女主持:節目演出之前，我先問大家一個問題:現實生活中，石頭和羽毛哪個下落得快?

觀眾:當然是石頭了!

男主持:石頭比羽毛下落得快，這似乎是無需爭辯的事實.古希臘最偉大的哲學家、科學家和教育家亞里士多德據此認為，重的物體比輕的物體下落得快.這個觀點在西方流行了1900年之久，直到1590年，年僅26歲的意大利青年伽利略對此卻提出了質疑，并最終推翻了亞里士多德的這個錯誤結論.

女主持:伽利略是如何駁倒亞里士多德的呢?請欣賞物理劇《穿越時空的對話》.

第一幕 兩位大師的對白

人物:亞里士多德(由L同學扮演)和伽利略(由物理老師扮演).

道具:一張桌子，兩把椅子，兩個茶杯、兩塊大小不同的石頭、細繩.

伽利略:尊敬的亞里士多德先生，您好!您是古希臘最博學的人.我研讀了您的大量著作，對您的博學多識感到由衷地敬佩.讀了您的《物理學》，我有個問題想向您請教一下.

亞里士多德:歡迎、歡迎!我愛我師，但我更愛真理，真理不辯不明.年輕人，您說吧!

伽利略:您認為，重的物體一定比輕的物體下落得快?

亞里士多德:是啊!難道您沒看見，一塊石頭總比一片羽毛下落得快嗎?

伽利略:的確如此.但我并不認為物體下落得快慢是由物體的重量引起的.您是形式邏輯的創始人.請問如果把輕重不同的物體A、B綁在一起，其下落的速度比單獨一個較重的物體B下落得快還是慢呢?(伽利略一邊說，一邊用兩塊石頭比劃著)

亞里士多德(不假思索地):兩個物體綁在一起的重量顯然比單個物體的重量大，當然比單個物體B下落得快!

伽利略:按您的說法，既然重的物體比輕的物體下落得快，那么輕重不同的物體綁在一起，重的物體運動較快，就要拖著輕的、較慢的物體一起下落.這時二者一起下落應當比單個物體B下落得慢才是呀!(停頓片刻)您看，從您的這個命題出發卻推出了兩個相互矛盾的結論.

亞里士多德(一臉迷惑):這一點，我倒是沒有想過.年輕人，您的推理沒有任何問題，看來是我錯了!不過您又是怎么認為的呢?

伽利略:根據我的研究，輕重不同的物體下落的快慢應當是一樣的.

(第一幕結束，二人退場)

男主持:剛才大家一起欣賞了物理老師和L同學的精彩表演.現在，我想來一個現場互動.請問:伽利略是用什么方法駁倒了亞里士多德的錯誤結論的?

觀眾:邏輯推理.

女主持:很好!科學研究，需要邏輯推理，但是光靠邏輯推理是不夠的.要使自己的學說能令人信服地被人接受，還必須有充分的實驗事實作依據.那么，伽利略是如何研究落體運動的呢?他在研究過程中遇到了哪些困難?又是如何解決的呢?應中國物理學會的邀請，大名鼎鼎的伽利略教授已經穿越時空，來到了北京.為了解答公眾的疑問，中國物理學會特意為伽利略安排了一場記者招待會.相信這次招待會能夠解開大家心中的疑問.

男主持:下面請看《穿越時空的對話》第二幕伽利略的記者招待會.

第二幕 伽利略的記者招待會

人物:伽利略(由物理老師扮演)，記者甲，記者乙(分別由兩名同學扮演).

道具:多媒體展示臺，大屏幕，教鞭，石塊，紙片.

伽利略:朋友們，上午好!很高興認識大家.聽說許多中國朋友對我個人的研究工作及研究方法很感興趣.在座的各位朋友如有什么問題可以隨便提問，我很樂意回答.

記者甲(從記者席上站起來):尊敬的伽利略教授，您好!我是《知識報》記者.您用巧妙的邏輯推理的方法駁倒了亞里士多德關于落體運動的錯誤結論.但在日常生活中，我們發現，一塊石頭確實比一片羽毛下落得快呀!您如何解釋這個現象呢?

伽利略(微笑著):這位朋友問得好.現在我用一個實驗來回答你的問題.

(伽利略先用一片紙和一塊石頭，讓它們從同一高度同時釋放，石頭先落地;然后伽利略將紙片揉成團，再讓紙團和石頭從同一高度同時釋放，結果二者幾乎同時落地)

伽利略:兩次實驗，紙片和石頭的重量都沒有改變，而結果卻大不相同，這說明了什么?(停頓)

說明物體下落得快慢不是由重量引起的.那為什么石塊比羽毛下落得快呢?我認為這是空氣阻力對下落物體的影響所造成的.第一次，紙片受的空氣阻力大，而紙片的重量又比較小，空氣阻力對紙片下落的影響就比較大，紙片比石塊下落得慢;當紙片揉成團以后，空氣阻力大大減小，紙團下落的速度和石塊下落的速度就比較接近了.可以想象，如果不受空氣阻力，紙團和石塊下落得快慢應該是一樣的，這種運動我把它稱為自由落體運動.

記者甲:謝謝您的答復.但我們都生活在空氣中，您研究的這種運動實際上并不存在.您為什么還要研究它呢?

伽利略:在我生活的年代里，空氣的阻力無法消除，自由落體運動只是一種理想的運動模型，但并不等于說，就沒有研究的價值.當空氣阻力和物體的重力相比可以忽略不計時，就可以把物體下落的運動近似看成自由落體運動.到了20世紀，人類已經登上月球，大家知道，月球表面沒有空氣，宇航員在月球表面所做的落體運動就是嚴格的自由落體運動.所以，科學研究需要有前瞻性，要用發展的眼光看問題.(停頓，語速緩慢地)大家還要記住，在科學研究中，懂得忽略什么，有時與懂得重視什么同等重要.

記者甲:謝謝您的解答.

伽利略:(微笑著環顧四周)，大家還有什么問題嗎?

記者乙(起立):您好!我是《科學報》記者.請問，您是怎樣研究自由落體運動的呢?能否把您的研究思路和方法告訴大家，謝謝!

伽利略:好的.對落體運動的研究我是從觀察現象開始的.我發現，在空氣阻力較小時，物體下落得越來越快.為了描述落體運動的快慢，我定義了速度這個物理量.那么，落體運動是否有什么規律呢?我堅信自然界的規律都是簡單的，于是我猜想落體運動應該是一種最簡單的變速運動，物體的速度變化應該是均勻的.但是，速度的變化怎樣才算是均勻的呢?我考慮了兩種可能:一種是速度的變化對時間來說是均勻的，即v與t成正比;另一種是速度的變化對位移來說是均勻的，即v與x成正比.我想用實驗來驗證我的猜想.但在當時的條件下我遇到了許多困難.

記者乙:您當時遇到了哪些困難呢?又是如何克服的?

伽利略:我遇到的困難之一是瞬時速度不易測量.不像現在，可以用打點計時器或光電門測瞬時速度.當時技術條件不具備.我遇到的第二個困難是沒有準確的計時工具.那時的計時工具是水鐘，物體下落的速度又很大，用水鐘很難測出物體下落不同高度所用的時間.經過幾周的冥思苦想，我終于想到了克服第一個困難的辦法.借助數學，我把測量瞬時速度轉化為測量位移，位移比速度容易測.我通過數學演算得出，如果v與x成正比，將會得到物體下落兩倍的距離與物體下落一倍的距離所用時間相等，這顯然是荒謬的!但如果v與t成正比，它通過的位移x就與t2成正比.下一步的工作就是設計實驗驗證這個結論.

為了便于測量時間，我設計了“沖淡重力”的斜面實驗.我在木制斜槽上蒙上羊皮紙，讓銅球從光滑的羊皮斜槽上滾下，通過上百次對不同重量的小球沿不同傾角的光滑斜面運動的定量分析研究，我發現小球沿光滑斜面運動時通過的位移x確實與t2成正比，說明小球沿斜面的運動的確是勻變速直線運動.而且傾角一定，不同小球的加速度相同;傾角越大，加速度就越大.

最后，我把斜面實驗的結論作了合理的外推.我想，斜面越陡，小球沿斜面滾下的運動就越接近于自由落體運動;當斜面的傾角達到90°時，小球就做自由落體運動.就這樣，我得到了自由落體的運動規律.

(環顧四周)大家還有什么問題嗎?沒有的話，今天的記者招待會就到此結束.

伽利略退場，男、女主持人上場.

男主持:感謝伽利略教授對公眾問題的熱心解答.20世紀的物理學大師愛因斯坦對伽利略這樣評價:“伽利略的發現以及他所應用的科學的推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端.”剛才的記者招待會上，大家有幸聆聽了伽利略這位科學巨匠對自由落體研究的過程.現在進入觀眾有獎競答環節.

女主持:請觀眾看大屏幕!

屏幕上依次呈現問題1，問題2，問題3，問題4.觀眾回答問題;主持人給予評價、鼓勵.

問題1:伽利略在研究自由落體運動過程中運用了哪些研究方法.

問題2:在學習物理知識的同時，還應當十分注意學習物理學研究問題的思想和方法，從一定意義上說，后一點甚至更重要.偉大的物理學家伽利略的研究方法對于后來的科學研究具有重大的啟蒙作用，至今仍然具有重要意義.請你回顧伽利略探究物體下落規律的過程，判定下列哪個過程是伽利略的探究過程

A.猜想—問題—數學推理—實驗驗證—合理外推—得出結論

B.問題—猜想—實驗驗證—數學推理—合理外推—得出結論

C.問題—猜想—數學推理—實驗驗證—合理外推—得出結論

D.猜想—問題—實驗驗證—數學推理—合理外推—得出結論(PPT呈現問題2)

問題3:伽利略在研究自由落體運動時認為自然界是簡單的，自然界的規律也是簡單的.從這個理論出發，猜想落體運動也一定是一種最簡單的變速運動，而最簡單變速運動，它的速度應該是均勻變化的，從而為自由落體的研究打下了重要基礎，從科學研究的方法來說，這屬于

A.等效替代 B.理想實驗

C.科學假說 D.數學歸納

問題4:請運用自由落體運動規律計算物體自由下落5m和下落20m所用的時間.

……

女主持:有獎競答活動到此結束.獲得第一名的Z同學，他獲得由中國科協、中國物理學會頒發的伽利略紀念郵票一套;獲得第二名的G同學，她獲得中國物理學會發行的伽利略紀念章一枚.歡迎兩位同學上臺領取獎品!(下課鈴響，主持人宣布物理劇結束)

課后反思

本節課是筆者作的一節校級公開課.本節課原打算劇中的人物完全由學生表演，包括伽利略.但在排練過程中，發現伽利略的角色讓學生扮演難度太大，主要是伽利略的研究工作，學生說不清楚，最后改由筆者親自上場，師生共演了一出《穿越時空的對話》.實踐證明，師生一起表演物理劇，極大地調動了學生學習的積極性，課堂氣氛異常活躍，學生情緒高漲，整堂課充滿著歡聲笑語，充分體現了學生的主體參與、合作學習、體驗探究、互動交流、注重反饋的新課程理念，三維教學目標在輕松活潑的氣氛中不知不覺得到了落實，起到了潤物細無聲的效果.其次，把物理學相關史料進行重新組織、構思，以物理劇的形式呈現，也算是在物理知識教學中滲透物理文化、展現物理學思想和方法的一種新的嘗試.歡迎有識之士多提寶貴意見和建議.