溯源真實物理情境 體驗科學探究之美
——以伽利略對自由落體運動的研究為例

潘 正

(蘇州市東山中學 江蘇 蘇州 215107)

楊振寧在上海接受記者采訪時，曾將他取得成功的奧秘歸結為這樣一句話：“要站在問題開始的地方，要面對原始的問題，而不要淹沒在文獻的海洋里(課程·教材·教法 -《對物理教學的哲學思考》- 2005)”.

愛因斯坦說過：“科學結論幾乎是以完成的形式出現在讀者面前,讀者體會不到探索和發現的喜悅,感覺不到思想形成的生動過程,也很難達到清楚地解釋全部情況(華東師范大學博士論文 -《化學課程中的科學過程技能研究》- 2007)”.

楊振寧和愛因斯坦表達了同一個思想：科學探究需要溯源.

溯源，即追溯事件產生和發展的根源.物理規律的建立，依托物理學史實，以一些著名的物理定律、物理的重大發現、重要的物理實驗為研究對象，探究物理學重要成果的形成過程，體驗科學家的工作歷程，體會科學家的科學精神.溯源事件的產生和發展過程，能夠加深對物理規律的認識，準確把握物理規律.

1 科學探究需要進行溯源

科學探究是物理學科核心素養的重要組成部分，問題的提出是科學探究的起點和基本特征，問題的提出離不開真實的物理情境.

情境認知理論認為，學習的終極目標是要將自己置于知識產生的特定的情境中，通過積極參與具體情境中的社會實踐來獲取知識、建構意義并解決問題(教育發展研究 -《深度學習視野下的課堂情境》- 2013).學生能力的發展是一個漸進的過程，是一種潛移默化影響的結果，它是一種隱形特征，因而學生能力的培養和發展必須建立在一定的情境之中，這樣利于打開學生的思路，培養學生的合作意識、遷移應用能力與創新能力.科學探究需要創立真實的物理情境.

對著名歷史事件進行溯源，是真實物理情境創立的一個重要途徑.在真實的物理情境下進行科學探究，是學生核心素養培養的一種途徑和方法，是核心素養實現的現實基礎，同時也是學生進行深度學習的一個重要策略.

2 伽利略對自由落體運動的研究

人教版教材必修一第二章第6節“伽利略對自由落體運動的研究”，不是一節知識傳授課，其實質上是一節物理學史溯源課.

伽利略的研究方法可以歸納為圖1所示的框圖.

圖1 伽利略的研究方法

伽利略整個探究過程環節齊全、思路清晰，是科學實驗和邏輯推理的完美結合.

3 溯源真實物理情境 體驗科學探究之美

3.1 猜想假設 體驗科學家智慧之美

關于“落體運動是一種怎樣的運動?”，伽利略通過對落體運動的觀察，大膽地猜想：“物體下落速度是均勻變化的”.

這種猜想基于怎樣的思考?

伽利略認為：“自然界是簡單的，一切運動都是以最簡單的秩序進行的.”基于這樣的思想，對于自由落體運動的規律，他作出兩種猜想：

猜想1：速度與位移成正比v∝x.

猜想2：速度與時間成正比v∝t.

【后記】愛因斯坦有一句很著名的話：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要”.提出問題的過程是對舊問題換個角度認識的過程，科學家需要一定的想象力，更需要一定的勇氣，從中體驗科學家智慧之美.

3.2 理論推理 體驗邏輯之美

猜想1：速度與位移成正比，即v∝x.

如果v∝x，即

v=kx

(1)

微元法求瞬時速度

(2)

由式(1)、(2)得到

兩邊積分得到

lnx=kt

最終表達式

x=ekt

作x-t圖像如圖2所示.

圖2 x-t圖像

當t=0時，x=1，與實際情況不符.

結論：速度與位移成正比明顯不成立，放棄對該方案的實驗探究.

猜想2：速度與時間成正比，即v∝t.

如果v∝t，即

v=kt

(3)

微元法求瞬時速度

(4)

由式(3)、(4)得到

Δx=ktΔt

兩邊積分得到

最終表達式

x=k′t2

【后記】“理論探究”作為科學探究的一個重要途徑在這里發揮的淋漓盡致，讓我們不僅驚嘆，伽利略竟然否定了“速度與位移成正比”這一猜想，這就是邏輯推理之美.

3.3 實驗檢驗 體驗經典實驗之美

3.3.1 面臨困難

(1)瞬時速度無法測量.

(2)時間無法精確測量.

3.3.2 解決方案

(2)時間無法精確測量的解決方案：①利用斜面“沖淡重力”，延長運動時間，減少偶然誤差;②還原滴水計時(水鐘).

3.3.3 實驗準備：還原滴水計時(水鐘)

(1)溯源

水鐘在中國又叫做“刻漏”“漏壺”.根據等時性原理滴水記時有兩種方法，一種是利用特殊容器記錄把水漏完的時間(泄水型)，另一種是底部不開口的容器，記錄它用多少時間把水裝滿(受水型).中國的水鐘，最先是泄水型，后來泄水型與受水型同時并用或兩者合一.自公元85年左右，浮子上裝有漏箭的受水型漏壺逐漸流行，甚至到處使用(網頁 -《水鐘_百度百科》).

(2)還原水鐘

1)原理：在一定的裝置里，水能保持以相對穩定的速度往下流，容器內的水面隨水的流出而下降，根據液面下降的高度就可以測量出時間.

2)器材：帶刻度的細長玻璃管、鐵架臺、試管夾、橡膠軟管、止水夾、玻璃管末端的調節閥、燒杯兩個、盛水器皿、紅墨水.

3)實物圖：如圖3所示.

圖3 還原水鐘實物圖

4)測定：利用秒表持續測定長玻璃管中流失水的體積與所用時間的關系，測量數據如表1所示，作流失水體積與所用時間的關系圖像，如圖4所示.

表1 流失水的體積與所用時間的關系

圖4 流失水的體積與所用時間的關系

由表1和圖4可以看出，長直玻璃管流水速度并不是呈線性關系，隨著液面下降，壓力降低，水流速度變慢，流速與線性關系偏差較大，進行滴水計時誤差較大，所以必須進行糾偏.

5)糾偏：每次測量時保持起始液面相同，即每測量一次需要加注水至起始液面.

糾偏后實驗結果圖5表明，若每次測量時都使初始液面保持相同，每次流失水的體積相差不是太懸殊時，流失水的體積與所用時間的關系可以近似看成線性關系，這樣就可以用流失水的體積來表示時間.

表2 糾偏后流失水的體積與所用時間的關系

圖5 糾編后流失水的體積與所用時間的關系

3.3.4 還原“沖淡重力”實驗

(1)溯源

伽利略在《關于兩門新科學的談話和數學證明》中介紹了斜面裝置：“拿一塊12肘長、半肘寬、3 指厚的木板.靠它的邊緣刻一道約略大于一指寬的小槽，把這個槽做到盡可能的直和光滑，里面墊上盡可能光滑的羊皮紙.然后拿一個硬的、光滑的、極圓的銅球，放在槽內去滾.將這塊木板放在傾斜位置，使一端比另一端高一肘或二肘，再將銅球沿槽去滾……”.(南京師范大學博士論文 -《高中物理教材設計論》- 2004)

(2)還原實驗

利用3m長鋁合金導軌進行“沖淡重力”實驗，如圖6所示，邀請3位學生協同完成實驗，學生甲負責操作水鐘計時，學生乙負責釋放小球，學生丙負責發布起止口令，教師負責記錄數據.

圖6 “沖淡重力”實驗

(3)實驗過程

1)將導軌平放在實驗臺上，一端墊高，形成一個較小傾角的斜面，學生丙位于2.5m位置處，發出“開始”指令，同時學生乙將鋼質小球從0刻度線處由靜止開始釋放，學生甲開始水鐘計時.當小球運動到2.5m刻度線稍前位置處時，學生丙發出“停止”口令，同時學生甲停止水鐘計時，讀出流失水的體積(時間)，教師記錄在表3，上述操作重復測量一次，取平均值并進行記錄.改變測量長度，分別測量出小球經過2.5m,2m，1.5m時流失水的體積(時間)，記錄在表3.

表3 小球在較小傾角下位移與時間關系

2)參照上述1)操作過程，不改變斜面傾角，換一個較大小球，分別測量出小球經過2.5m，2m，1.5m時流失水的體積(時間)，記錄在表4.

表4 大球在較小傾角下位移與時間關系

3)參照上述1)操作過程，增加斜面傾角，取較小小球重復上述實驗，記錄在表5.

表5 小球在稍大傾角下位移與時間關系

(4)實驗結論

【后記】該實驗是物理學十大最美實驗之一，利用最簡單的儀器，發現最根本的科學道理，建立最根本的科學概念，回歸實驗探究的本源.同時伽利略率先采用“用實驗檢驗猜想”的科學方法，也是經典實驗之美的體現.

3.4 合理外推 體驗科學家勇氣之美

當導軌與地面垂直時，即傾角增大到90°時，小球的運動就是自由落體運動，小球仍然保持勻加速直線運動的性質，所有物體下落時的加速度都是一樣的.至此，伽利略就完成了對自由落體運動的研究.

【后記】合理外推，對假設進行修正和推廣，伽利略利用這一步操作完美地對科學研究過程進行收尾，在體現他的智慧之余，更展現出了他極大的勇氣.

4 結束語

溯源真實的物理情境，讓學生親身經歷一個經典的、環節完備的、完整的科學探究過程，從而讓學生切切實實感受到伽利略在科學研究時不怕困難、鍥而不舍、執著勇敢的偉大精神，同時學生從實驗的設計、操作過程中也體驗到了成功的喜悅，讓學生真正體驗到科學探究之美.