伽利略“沖淡”重力思想在自由落體中的運用

陳英

摘 要：伽利略斜面實驗中的“沖淡”重力思想巧妙地避開了物體下落時間快導致相關物理量難以測量的難題，最后對斜面實驗進行合理外推，最終得到自由落體運動是一種勻加速直線運動。這種思想其實同樣可以用于對于“物體下落快慢是否一致”的探究活動當中。

關鍵詞：伽利略；自由落體；沖淡重力

通常情況下，多數教師在處理自由落體運動這一節內容時，都是先證明不同質量的物體下落的快慢程度相同，然后才能引入自由落體運動。對于這個理論的證明，筆者認為，比較妥當的處理方式是先要證明重的物體比輕的物體下落得慢這種現象也是存在的。因為在學生的潛意識中，包括在現實生活中，可能會存在重的物體比輕的物體下落得快。而從學生的前概念出發，更能激發學生的興趣。這一點很好證明，比如，比較半張紙團和整張紙的下落，得到質量輕的物體在某些情況反而比重的物體下落得快，學生看到這個實驗后，會意識到是因為空氣阻力的原因，導致物體下落快慢存在差別。

但是，這個實驗只能證明亞里士多德關于重的物體下落得快是一個悖論，并不能直接證明在沒有空氣阻力的情況下，所有的物體下落的快慢相同。而牛頓管實驗是證明這個結論最經典的實驗，牛頓管雖然現象明顯，證明過程嚴謹，但是牛頓管的缺點是不易操作，需要抽氣機將管內空氣抽取干凈來對比空氣存在時物體下落的快慢。

一、伽利略“沖淡”重力思想

伽利略“沖淡”重力思想是源于伽利略著名的斜面實驗。這個實驗其實是為了證明自由落體是勻加速直線運動，但是考慮到當時對于“速度”“時間”的測量存在一些困難，伽利略想到了，既然豎直方向上的運動時間短不好測量，能否考慮將物體放在斜面上讓之下落？所以，通過在斜面上的測量，伽利略發現，小球在斜面上往下的運動是勻加速直線運動。隨著斜面傾角的增大，小球依然能保持勻加速直線運動，只是加速度的數值發生了變化。所以，伽利略進行了合理外推，他認為，斜面傾角90度是一個特殊的斜面，小球還是應當遵循之前的運動規律，那就是勻加速直線運動。

在這個實驗中，我們發現，伽利略的想法體現了“從量變到質變”的過程，斜面很好地削弱了重力對小球下落的影響。這種“合理外推”的邏輯推理很符合高中生的認知發展過程，筆者對于這種方法進行了深入的思考，發現還可以用于對物體下落快慢的探討當中，基于伽利略的“沖淡”重力，筆者將“沖淡”阻力的思想運用到最初的下落快慢實驗中來。

二、“沖淡”阻力思想在自由落體中的應用

取6只試管，A組兩個試管內部盛有洗潔精，B組兩個試管內部盛有純凈水，C組兩個試管內部沒有任何液體，我們認為內部盛有空氣。從試管內部的物質來看，A組的物質最稠，B組次之，C組最稀。假如有物體分別在三組試管中下落，那么，A組受到的阻力將最大，B組次之，C組最小。這組實驗器材達到了“沖淡”阻力的目的。現在準備一個實心鐵球和橡膠球，要求鐵球比橡膠球質量大，依次在三組試管中釋放小球，觀察實驗現象。

我們可以看到，在三組試管中，小球的下落情況差別很大，如圖所示。A組中，明顯鐵球下落的比較快，B組中，雖然依然是鐵球下落得比較快，但是相對于A而言，鐵球和橡膠球的差距在減少，而在C組中，鐵球和橡膠球下落幾乎一致。經過分析，我們可以得出，隨著阻力的減小，不同質量的小球下落快慢程度逐漸接近。就像伽利略對斜面進行合理外推一樣，我們可以同樣推出，假如是真空，不同質量的物體下落快慢程度相同。

三、總結和反思

在本實驗中，因為試管、洗潔精、純凈水、鐵球、橡膠球在生活中容易獲得，學生自己操作的可能性很大。因此，本實驗是很典型的非常規物理實驗。非常規物理實驗是指主要利用學生熟悉的生活易得物品、材料、器具以及兒童玩具等開發進行的一類體現自創性、體驗性、趣味性、簡易性、生活化的物理實驗教學活動。非常規物理實驗這一概念的提出主要是為了彌補常規物理實驗在教學中的不足，希望能夠將常規物理實驗和非常規物理實驗結合起來，最大限度地發揮物理實驗在中學物理教學中的功能。

非常規實驗有著環保、節約、易得、極簡、創新等優點。除此之外，這些實驗器材的可替代性也很高，例如，將鐵球換成玻璃球，將洗潔精換成食用油，將試管換成礦泉水瓶等，因為選用了生活中常見的實驗器材，會讓學生有一種親切感，所以，這種非常規實驗也是我們所倡導的。

對于本實驗在課堂中的安排，筆者認為需要做一些鋪墊。首先要讓學生意識到“阻力”是影響物體下落快慢的重要因素。我們可以將同一張紙折成紙團和紙張下落對比試驗，讓學生意識到，質量相同的紙團和紙張下落快慢不同是因為紙張受到的空氣阻力比較大引起的。然后再去做三組阻力不同的實驗，探究阻力的變化如何影響物體下落的快慢。最終得到，沒有阻力的時候，不同質量的物體下落快慢相同。

參考文獻：

[1]張偉，郭玉英，劉炳升.非常規物理實驗：有待深入開發的重要物理課程資源[J].物理教師，2005，26（9）：27-28.

[2]張偉，郭玉英，劉炳升.“非常規”物理實驗概念探討[J]. 物理實驗，2006，27（8）：27-28.

編輯 王團蘭