高考物理实验：自由落体运动实验探究

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高考物理实验：自由落体运动实验探究

“实验探究教学方法”就是在教师指导下，以实验为基础，以探究为红线，学生通过实验操作、观察来研究认识物理现象，认知物理过程，探究物理规律，从而获得物理知识，形成技能，同时使学生的智力得到发展的一种教学方法。

“自由落体运动”是高中物理“直线运动”一章的重要的一节课，是匀变速直线运动规律的典型应用。教材通过举例引出物体下落快慢与重力关系的讨论，并通过“毛钱管”实验得出自由落体运动的概念。然后在观察自由落体闪光照片的基础上，定性分析得出物体越落越快，即物体做加速运动，并没有进行定量分析，直接援引伽利略的研究结果，给出了自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，并且给出了重力加速度的大小为，方向是竖直向下的。

从教学形式和教材编写上看，整个过程有举例、设问、讨论、实验和分析，但从知识的形成过程可以看出，教学结果只是让学生相信并记忆自由落体运动的定义，教学的重点落在了对自由落体运动规律的练习和应用上，而忽视了学生的认知规律，使知识的形成出现了断层，教学过程未能使学生对物理学习产生兴趣，对知识形成进行科学探究，从而使学生的思维得到启迪。自由落体运动的错误论断在两千余年的时间里一直被人们所信服，这里除了一大批学者和亚里士多德的经验观察之外，还有人们的定势思维和生活经验的束缚。物理学家伽利略通过艰辛探索，不断创新、大胆实验终于冲破了传统观念的束缚。而他对物理知识的研究思想、理想实验的合理外推，才使自由落体运动的正确结论浮出水面。

教学中如果能以实验为基础，再现这段历史，不仅有利于学生对物理学习的兴趣，也能培养学生对知识形成过程的学习，同时开发了学生的创新思维。基于此因，笔者在本节课的教学中，按照教材的思路，以实验为基础，以探索为方法，重点在于研究自由落体运动正确结论的得出过程。

一、验证亚士多德观点的实验

1.亚里士多德的观点

物体下落的快慢是由它所受的重力的大小决定的，物体越重，下落得越快。

2.实验验证

[实验1]取一枚硬币和与其大小相同的纸片，让它们从离桌面等高处，同时下落。

观察结果：硬币比纸片先落到桌面。

实验结论：物体越重，下落得越快，亚里士多德观点似乎是正确的。这一结论既与人们日常观察相符合，也与人们的定势思维相一致。

二、质疑亚里士多德观点的实验

1.质疑观点

物体越重，不一定下落得越快。

2.实验验证

[实验2]将实验1中的圆形纸片揉成纸团，重复上述实验，观察结果，重力不等的物体下落的快慢几乎相同。

[实验3]让学生从同一张纸上剪出两个同样大小的圆形纸片，把其中一个揉成纸团，让纸片和纸团从离桌面等高处同时下落。

观察结果：重力相等的纸团和纸片没有同时落在桌面上，纸团比纸片落得快。

[实验4]伽利略巧妙的推理实验：伽利略在1638年写的《两种新科学的论断》一书中，采用对话形式论述了这一问题，他以萨尔维阿蒂的身份出现，而以辛普利邱代表亚里士多德的观点，书中有这样一段对话：

萨尔维阿蒂：如果把两个自然速率不同的物体连在一起，那么落得快的物体会被落得慢的物体拖着而减速，慢的物体会被快的物体拖着而加速。你同意吗?

辛普利邱：没有疑问，你说得对。

萨尔维阿蒂：但是，如果这是对的，那么我们取一块大石头，例如它的下落速率为8，而取一块小石头，下落速率为4，将它们拴在一起，整个系统的下落速率应该小于8;但是两块石头拴在一起，要比那块速率是8的石头大。因此，重物体比轻物体的运动速率要小;这个结论刚好和你的推测相反。这样，你就看到了从你的重物体较轻物体下落得快的假设，我怎样推出了重物体下落得更慢的结论。

辛普利邱：我完全被搞糊涂了……说实在的，这完全超出我的理解力……

这段对话，以亚里士多德的观点为基础，伽利略通过巧妙的假设和推理，得到了重物体比轻物体下落得更慢的结论。

3.实验结论

分析以上三个实验，发现有时重力相等物体下落快慢不同，有时重力不等物体下落快慢却相同，有时轻的物体比重的物体下落得更快，即物体下落快慢与重力无关。

亚里士多德的观点陷入到自相矛盾的境地，学生也进入到无所适从的地步，这一点正好能够激发学生的求知欲，进而遇到讨论、思考，并在下面的学习中形成对自由落体运动的正确理解。

三、验证伽利略观点的实验

1.伽利略的观点

物体只要从同一高度下落，它们都应该同时落地。

2.实验验证

伽利略在300多年前所得出的结论，隐含了物体下落中仅受重力的作用，即排除空气阻力的影响，然而在当时条件下是无法在没有空气的空间里做实验的。那么，我们将利用实验、推理的研究方法，把物体在空气中下落运动与物体在液体中运动相比较，并以不同的固体在不同液体中下沉实验进行比较分析，推理出物体在真空中的运动。

[实验5]取两个直径约5cm、长60cm一端开口的玻璃管，内盛有同种液体——洗发液。然后取两个质量不同但密度相同直径小于玻璃管口径的铁球(如图1所示)，让两球从静止开始同时在洗发液中下沉。观察两球下沉情况。

实验结果：同种液体——洗发液中，密度相同而重力不同的物体下沉的快慢相同。

[实验6]将实验5中的液体用另外两个盛有水的相同玻璃管代替。仍取上述两个铁球，重复实验，观察两铁球下沉情况。

实验结果：在同种液体——水中，密度相同而重力不同的物体下沉的快慢相同。

[实验7]将两个分别盛有洗发液和水的玻璃管放在一起，然后让两铁球同时从液面由静止开始下沉(如图2所示)观察两球下沉情况。

3.实验结果分析

(1)伽利略根据浮沉原理得出，同样密度的铁球，不论其重量如何，它们在同种液体中下沉的快慢相同。

(2)同样密度的铁球在不同液体中下落快慢不同。说明了这是液体阻力所造成的。

4.实验结果的合理外推

(1)由于空气和液体具有相同的浮沉原理，同样密度的物体，不论其重量如何，在同一液体中的沉浮情况相同，因而在空气中也应该下落得同样快。

(2)根据实验，如果液体的密度越小，不同密度的物体在其中从同一高度由静止开始下落的快慢差别也越小，并且这种差别是由于介质阻力造成的。

(3)由此推想，倘若“在没有空气的空间”(真空中)，一切物体，只要从同一高度下落，它们都应该同时落地。

[实验8]用“毛钱管”实验进一步验证300年前伽利略的推理(本实验不再介绍)。

操作并分析实验结果之后，启发学生得出自由落体的定义：

物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫做自由落体运动。

四、验证自由落体运动的位移和时间关系的实验

设问：自由落体运动的初速率为零且运动(状态变化)快慢相同，那么它的运动性质是什么呢?

1.正确观点

自由落体运动是初速度的匀加速直线运动。

2.实验验证

用斜槽轨道进行实验验证，装置方法如图3所示，依据重垂线将直轨道调成竖直方向，以保证钢球下落时恰好能由光电门G中通过，计时器用“同步”“计时”工作方式。用一个光电门做停止门。

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