伽利略对自由落体运动的研究过程与方法

探析伽利略研究自由落体运动的科学思维方法

一、归谬法

伽利略巧妙的用了一个佯谬否定了亚里士多德得出的“重的物体下落快”的论断，得出一种可能：重物与轻物应该下落的同样快。

二、抽象思维方法

抽象即事物主要的、本质的东西联合起来，建立一个轮廓清晰、主题突出的模型，伽利略对自由落体运动的研究就是如此。在自然状态下，落体运动受空气阻力的干扰，如果要排除空气阻力的干扰，那就需要创设一个真空环境。于是伽利略运用抽象思维方法，撇开空气阻力的影响，设想在纯重力状态下的落体运动，得出了自由落体运动定律。

其实，伽利略在物理学中的许多成就都可以归功于他能在种种复杂情况下作出抽象，如 “理想摆”、“伽利略的理想实验”、及“抛体运动”。抽象思维方法是他实现科学发现必不可少的条件。所谓“理想实验”并不是实物实验，而是依据理想化的条件进行推导并想象其结果。伽利略曾做过让小球沿斜面下滚的实物实验，由于受到了斜面摩擦和空气阻力的作用，从一个斜面滑下冲上另一给斜面，其高度总比原来低。伽利略设想了一种理想化条件：如果所有阻力减小到零，小球就会上升到原来的高度，这就是伽利略著名的“理想实验”。

三、实验与数学相统一

物理是一门以实验为基础的科学，在伽利略以前的不少思想家也指出过实验的重要性，但伽利略与他们不同，他所着眼的不是对自然界的单纯观察，而是有计划的进行实验，在做实验时，研究者就像在向自然界提出他们感兴趣的问题并且得到回答一样。伽利略认为，理论和自然是否相符，必须由“选择得当的实验”来判断。及时对那些已经公开的观点也得采用实验法加以探究。伽利略认为，在对自然界进行实验研究的过程中，必须同时运用数学计算法，所以他特别重视实验的定量分析。伽利略深信，“自然界”这本“书”使用数学语言写成的，不懂得数学语言，就不能揭开自然界的奥秘。

在对自由落体运动的研究中，伽利略曾大胆地猜测，落体运动是一种最简单的变速运动，即下落物体的速度是随着时间均匀增大的，即v∝t,他也想通过实验来验证，但是如何解决时间的测量问题是个难题。后来经过反复思考，他设计了著名的“冲淡重力”的斜面实验，在实验中同时采用了数学方法。实验验证：在同一个倾斜的斜面上，小铜球滚下的位移总是与运动时间的平方成正比。斜面的倾角不同时，比例关系同样成立，只是常数的大小有所变化。随着斜面倾角的增大，比例常数的比值也逐渐增大。

伽利略对自由落体运动的研究

古希腊权威思想家亚里士多德（公元前384—322年）曾经断言：物体从高空落下的快慢同物体的重量成正比，重者下落快，轻者下落慢。比如说，十磅重的物体落下时要比一磅重的物体落下快十倍。1800多年来，人们都把这个错误论断当作真理而信守不移。直到16世纪，伽利略（公元1564—1642年）才发现了这一理论在逻辑上的矛盾。伽利略说，假如一块大石头以某种速度下降，那么，按照亚里士多德的论断，一块小些的石头就会以相应慢些的速度下降。要是我们把这两块石头捆在一起，那这块重量等于两块石头重量之和的新石头 ，将以何种速度下降呢？如果仍按亚里士多德的论断，势必得出截然相反的两个结论。一方面，新石头的下降速度应小于第一块大石头的下降速度，因为加上了一块以较慢速度下降的石头，会使第一块大石头下降的速度减缓；另一方面，新石头的下降速度又应大于第一块大石头的下降速度，因为把两块石头捆在一起，它的重量大于第一块大石头。这两个互相矛盾的结论不能同时成立，可见亚里士多德的论断是不合逻辑的。伽利略进而假定，物体下降速度与它的重量无关。如果两个物体受到的空气阻力相同，或将空气阻力略去不计，那么，两个重量不同的物体将以同样的速度下落，同时到达地面。

为了证明这一观点，1589年的一天，比萨大学青年数学讲师，年方25岁的伽利略，同他的辩论对手及许多人一道来到比萨斜塔。伽利略登上塔顶，将一个重100磅和一个重一磅的铁球同时抛下。在众目睽睽之下，两个铁球出人意料地差不多是平行地一齐落到地上。面对这个无情的实验，在场观看的人个个目瞪口呆，不知所措。

这个被科学界誉为“比萨斜塔试验”的美谈佳话，用事实证明，轻重不同的物体，从同一高度坠落，加速度一样，它们将同时着地，从而推翻了亚里士多德的错误论断。这就是被伽利略所证明的，现在已为人们所认识的自由落体定律。 伽利略对自由落体运动的研究

巧妙推理

古代学者认为：物体下落的快慢是由它们的重量大小决定的，物体越重，下落得越快。公元前４世纪希腊哲学家亚里士多德最早阐述了这种看法。

1 伽利略对自由落体运动的研究

班级________姓名________学号_____

教学目标:

★知识与技能

1.了解物理学史。

2.知道伽利略对自由落体运动的研究方法。

★ 过程与方法

1.学习伽利略的科学方法。

2.培养学生自己查找资料学习物理学史。

★ 情感态度与价值观

1．学习科学家们对知识敢于质疑的勇气。

2．学习科学家们科学研究的执著精神。

3．通过学生自己查找资料，提高学生对物理学的兴趣。

4．通过对亚里士多德和伽利略的了解，认识到科学的探索是一个漫长的过

程，需要几代人的不懈努力。

学习重点与难点:

1．伽利略对落体问题的逻辑推理。

2．伽利略的验证性实验的设计。

3．伽利略的理想外推。

教学准备：让学生预习，搜集关于伽利略和亚里士多德的有关资料。

教学设计：

一、认识两位科学家

老师提出：哪位同学乐意给大家讲一讲自己所查到的关于伽利略和亚里士多德的资料，先说说伽利略吧。

学生可能的回答：①伽利略全名伽利略·伽利莱，他是文艺复兴后期近代实验科学的创始人。1564年伽利略生于意大利的比萨城，1611年，伽利略应邀来到罗马，在罗马期间，伽利略为了确立新的自然研究法—实验法的地位，又同教会的唯心论世界观进行了激烈的斗争，这就更加激怒了教会。1632年，他的名著《关于两大世界体系的对话》出版，但立即被教会列为禁书。1633年6月22日，伽利略受到宗教法庭审判，并被判终身软禁，成了“宗教裁判判所”的囚徒。1638年，伽利略在荷兰出版了《关于两门新学科与数学证明的谈话》一书，对自己多年来在力学方面的研究进行了总结。

②他的父亲是一位才华出众的音乐家和教育家。他在科学上的创造才能，在青年时代就显示出来了。当他还是比萨大学医科学生时，就发明了能测量脉搏速率的摆式计时装置。后来他的兴趣转向了数学和物理学。

③1581年，17岁的伽利略对古希腊的物理学及亚里士多德、埃夫克利德和阿基米德的著作着迷。伽利略在数学、天文学，特别是力学方面有了很深的造诣，学术上成果累累。他通过大量的观察和实验总结出了惯性定律、自由落体运动规律和相对性原理；发现了单摆振动的等时性原理；用自制的33倍望远镜观察天象，发现了一系列令人震惊的天文现象。伽利略将观察到的天文现象写成《星际使者》一书，于1610年发表。书中介绍了月球上的环状山脉，无数星体构成的银河系，金星的盈亏，木星的四颗卫星，太阳 2 黑斑等等，从而对哥白尼的“天体运行”论提供了有力的支持，同时也动摇了亚里士多德—托勒密的地心说。

北京师范大学教学实习教案

（注：须于上课前二日写好）

院/系 物理学系 专业 物理学 实习生姓名 路东磊 学号 0710150074

院系指导教师 李多 实习学校指导教师 雷正环老师 原任课教师 雷正环老师

2010 年 10 月 14 日 (星期 二 ) 第 一、二、三 节课 实习成绩

（本人本次实习第 4 个教案）

实习学校 北京师范大学燕化附属中学 实习班级 高一 (6)班 实习科目 物理

教学课题 伽利略对自由落体运动的研究

所用教材 教材名称： 物理 第 1 册，第 2 章 6 节 45—49 页

出版社：人民教育出版社

教学目标 知识与及技能：

1、了解伽利略研究自由落体运动的历史；

2、了解伽利略研究自由落体运动的科学方法和巧妙的实验构思；

3、理解任何猜想和假说都必须要有实验验证。

过程与方法：

1、学习伽利略的科学方法；

2、让学生初步体会抽象思维、提出假说、科学实验是进行科学研究的重要思路和方法。

情感态度与价值观：

1、学习科学家们对权威敢于质疑的勇气；

2、学习科学家们科学研究的执著精神。

教学重点 了解探索过程，明确探索的步骤，同时了解实验及科学的思维方法在探究中的重要作用，从中提炼自己的学习方法．

教学难点 1、伽利略的验证性实验的设计；

2、伽利略的理想外推。

课时安排 45分钟 教学用具 PPT，纸张（一整张和半张）

教学方法 讲解、演示、学生讨论、提问 教

学

过

程

及

内

容 【旧识回顾与新课引入】

教师：同学们，在第五节里我们学习了自由落体运动，知道了自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动，现在我们来回顾一下自由落体运动的规律。【提问学生】 什么是自由落体运动？自由落体运动的速度公式、位移公式、推论？

现在我们学起来感觉自由落体运动是一个很简单的运动过程，但是就算是得出这么一个简单规律的过程也并不简单，事实上，人们从开始研究这个问题到得出“自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动”这一结论经历了近两千年。