《伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究》教案(滬科版必修1)

第二章研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

2.1伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究

★教學(xué)目標(biāo)

(一)知識(shí)與技能

1.了解伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究思路和方法

2.學(xué)習(xí)伽利略的思想和精神，培養(yǎng)敢于堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)

精神。提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)合作精神。

(二)過(guò)程與方法

3.經(jīng)歷伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究方法，感悟科學(xué)探究的方法；

4.親身經(jīng)歷探究的過(guò)程，嘗試探究的方法，提高實(shí)驗(yàn)的技能，培養(yǎng)主動(dòng)參與、勤于動(dòng)手的

學(xué)習(xí)習(xí)慣。

(三)情感態(tài)度與價(jià)值觀

5.激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)伽利略敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，善于觀察思考，知難而進(jìn)的優(yōu)秀品質(zhì)

6.培養(yǎng)學(xué)生耐心細(xì)致的意志品質(zhì)，創(chuàng)新思想和互相協(xié)作的精神

★教學(xué)重點(diǎn)

1.了解探索過(guò)程，明確探索的步驟，同時(shí)了解實(shí)驗(yàn)及科學(xué)的思維方法在探究中的重要作用，

從中提煉自己的學(xué)習(xí)方法。

★教學(xué)難點(diǎn)

1.觀察－思考－推理－猜想－驗(yàn)證”是本節(jié)的重點(diǎn)思路，也是培養(yǎng)良好思維習(xí)慣的重要參

考

★教學(xué)過(guò)程

設(shè)計(jì)思路：本文主要目的是帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)經(jīng)歷伽得略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究方法，感悟科學(xué)

探究方法，培養(yǎng)學(xué)生勇于敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，善于觀察思考，知難而進(jìn)的優(yōu)秀品質(zhì)。所以我們

按照“觀察－思考－推理－猜想－驗(yàn)證”這樣的科學(xué)探究思路引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)

一、伽利略的探究

師：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了一種理想的運(yùn)動(dòng)模型：自由落體運(yùn)動(dòng)。大家都知道，落體運(yùn)動(dòng)是

非常常見的，但就這樣一個(gè)常見的運(yùn)動(dòng)，人類對(duì)它的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了差不多兩千年的時(shí)間才變得

清晰起來(lái)。這究竟是怎么回事呢？在人類歷史上，最早研究運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的要算古希臘學(xué)者亞里

士多德了。亞里士多德通過(guò)觀察推斷：物體下落快慢由它們的質(zhì)量決定。他的這一推斷符合

人們的常識(shí)，以至于其后兩千年里，大家都奉為經(jīng)典。但到了16世紀(jì)末，意大利比薩大學(xué)的

青年學(xué)者伽利略對(duì)亞里士多德的論斷產(chǎn)生了懷疑，用自己方法證明了亞里士多德觀點(diǎn)的錯(cuò)誤

并且得出了落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。下面我們就隨著伽利略的思想一起體驗(yàn)他的探究過(guò)程。

1、伽利略的思考：

師：伽利略通過(guò)自己的觀察對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)產(chǎn)生了懷疑，并通過(guò)邏輯推理讓亞里士

多德的觀點(diǎn)自相矛盾。你能做到用亞里士多德的觀點(diǎn)證明亞里士多德觀點(diǎn)的錯(cuò)誤嗎？

伽利略發(fā)現(xiàn)亞里士多德的觀點(diǎn)有自相矛盾的地方。根據(jù)亞里士多德的理論，一塊大石頭

的下落速度要比一塊小石頭下落速度大。假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，

當(dāng)我們把這兩塊石頭拴在一起時(shí)，下落快的會(huì)被下落慢的拖著而減慢，下落慢的會(huì)被下落快

的拖著而加快，結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的下落速度應(yīng)該介于8和4之間。但從另一個(gè)角度講，兩塊

石頭拴在一起，加起來(lái)比大石頭還要重，因此整個(gè)系統(tǒng)的速度應(yīng)該大于8，由同一理論得到的

結(jié)論相互矛盾，從而使亞里士多德的理論陷入困境。

補(bǔ)充：“兩種新科學(xué)的對(duì)話”一書中寫道：

薩爾維阿諦（伽氏）：如果把兩個(gè)自然速率不同的物體綁在一起，那么落得快的物體會(huì)被

落得慢的物體拖著而減速，落得慢的物體會(huì)被落得快的物體拖著而加速，你同意嗎？

辛普利丘（亞氏）：沒(méi)有疑問(wèn)，你說(shuō)得對(duì)。

伽氏：但是，如果這是對(duì)的，那么我們?nèi)∫粔K大石頭，例如它的下落速率為八，再取一

塊小石頭，下落速率為四，將它們栓在一起，整個(gè)系統(tǒng)的下落速率應(yīng)該小于八；但是，兩塊

石頭栓在一起，要比速率為八的石頭重。因此可以得出，重物體比輕物體的運(yùn)動(dòng)速率要小的

結(jié)論，這個(gè)結(jié)論剛好和你的推測(cè)相反。

亞氏：我完全被搞糊涂了，……說(shuō)實(shí)在的，這完全超出了我的理解力……。

2、伽利略的猜想

先問(wèn)問(wèn)學(xué)生會(huì)作怎樣的猜想。

伽利略認(rèn)為，重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快。他猜想落體運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一種最簡(jiǎn)單的變速

運(yùn)動(dòng)，物體的速度應(yīng)該是均勻變化的。但是，速度的變化怎樣才算是均勻的呢？他考慮了兩

種可能：一種是速度的變化對(duì)時(shí)間來(lái)說(shuō)是均勻的，即v與t成正比；另一種是速度的變化對(duì)

位移來(lái)說(shuō)是均勻的，即v與x成正比。

數(shù)學(xué)推理伽利略通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算得出：如果v與x成正比，將會(huì)得到十分復(fù)雜的結(jié)論；如果v

與t成正比，它通過(guò)的位移x就與t2成正比。

要點(diǎn)注意：伽利略是先猜想速度與時(shí)間成正比，然后數(shù)學(xué)推導(dǎo)出位移與時(shí)間的平方成正比的，

然后通過(guò)難數(shù)學(xué)推導(dǎo)的結(jié)論證明速度與時(shí)間成正比的?！百だ酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)得到位移與時(shí)間的

平方成正比的結(jié)論”是錯(cuò)誤的。

3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了便于測(cè)量時(shí)間，伽利略設(shè)法用斜面做實(shí)驗(yàn)。他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(guò)上百次對(duì)不同質(zhì)量的小球沿不同傾角的光滑斜面越大的定量研究，

發(fā)現(xiàn)小球沿光滑斜面運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)的位移x確實(shí)與t2成正比，小球的運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，

且傾角一定不同小球的加速度一定，傾角越大加速度越大。

4、合理外推

伽利略將他在斜面實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)論做了合理的外推：設(shè)想斜面的傾角越接近900，小球

沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)就越接近于自由落體運(yùn)動(dòng)；當(dāng)斜面的傾角達(dá)到900時(shí)，小球就做自由落體

運(yùn)動(dòng)。從而，自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，且所有物體自由下落時(shí)的加速

度都相同。

二、伽利略的科學(xué)方法

伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究，不僅確立了許多用于描述運(yùn)動(dòng)的基本概念，而且創(chuàng)造了一套對(duì)近

代科學(xué)的發(fā)展極為有益的科學(xué)方法，或者說(shuō)給出了科學(xué)研究過(guò)程的基本要素。

伽利略科學(xué)方法的核心是把和邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推演）和諧地結(jié)合起來(lái)，從而有力地

推進(jìn)了人類科學(xué)認(rèn)識(shí)的發(fā)展。

附：課外閱讀材料（印發(fā)給學(xué)生）

一、亞里士多德為什么在物理問(wèn)題中總是出錯(cuò)──評(píng)述亞里士多德的功與過(guò)

物理教科書上，亞里士多德給同學(xué)們的形象不好。他老是出錯(cuò)，請(qǐng)同學(xué)們講一講，他

有哪些錯(cuò)誤的結(jié)論。

“物體下落的快慢是由它的重量決定的，物體越重，下落得越快”、“力是維持物體運(yùn)

動(dòng)的原因，用力推車，車才前進(jìn)，停止用力，車子就要停下來(lái)”。

是否覺得亞里士多德實(shí)在太不高明，而伽利略則比他偉大千倍。其實(shí)這種看法過(guò)于偏

激，事實(shí)上，亞里士多德是古代的一位偉大思想家，一位百科全書式的大學(xué)問(wèn)家，他有著成

就事業(yè)的理性方法，又有著幾乎無(wú)所不及的思想成果，是古代科學(xué)思想的偉大代表，不僅在

哲學(xué)、邏輯學(xué)方面的成就至今還被應(yīng)用著，而且對(duì)物理學(xué)的前期發(fā)展是有貢獻(xiàn)的。

①亞里士多德認(rèn)為，物體永遠(yuǎn)在運(yùn)動(dòng)變化，“運(yùn)動(dòng)是永恒的，不能在一個(gè)時(shí)候曾經(jīng)存

在，在另一個(gè)時(shí)候不存在”這種運(yùn)動(dòng)永恒的觀點(diǎn)具有唯物主義思想，包含辯證法的因素，至

今仍是積極而有價(jià)值的。

亞里士多德提出的“自然運(yùn)動(dòng)”與“非自然運(yùn)動(dòng)”的理論。其中含有靜止慣性的思想，

在遙遠(yuǎn)的公元前，已是難能可貴的了。

②亞里士多德認(rèn)為地上的物質(zhì)由土、水、氣、火這四種“基本元素”組成；企圖從物

質(zhì)本身來(lái)說(shuō)明自然，把科學(xué)從宗教與神話中解放出來(lái)，這一精神是有進(jìn)步意義，這是人類幼

年時(shí)代的思想精粹。

③亞里士多德主張大地是球形的，并列出了一些事實(shí)來(lái)證明。他說(shuō)，當(dāng)月蝕的時(shí)候，

其顯明的部份恰帶有球形的形狀……月蝕的成因乃是由于地球遮蔽月球之故，因而這就是說(shuō)，

地球表面的球形確定了月球的輪廓：認(rèn)識(shí)到大地是球形，是一個(gè)重大的認(rèn)識(shí)飛躍，為后來(lái)引

力理論的建立作了思想準(zhǔn)備。

這樣一位偉大的學(xué)者為什么在物理問(wèn)題上經(jīng)常出錯(cuò)？亞里士多德的錯(cuò)誤不在于頭腦也

不全在于時(shí)代，而在于研究方法。亞里士多德對(duì)物理的研究是采用“觀察加直覺”的方法，

他的那些錯(cuò)誤結(jié)論是靠觀察，并依賴直接推理，得出一系列直覺結(jié)論。固然，觀察與直覺對(duì)

物理研究是至關(guān)重要的。詳細(xì)的觀察和良好的直覺往往導(dǎo)致偉大的發(fā)現(xiàn)。然而物理學(xué)是一門

以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，所以根據(jù)直接觀察所得出的直覺結(jié)論不是都可靠，有時(shí)會(huì)將人們引入

歧途。如果說(shuō)伽利略比亞里士多德偉大，就在于伽利略是第一位創(chuàng)造通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論推導(dǎo)

的科學(xué)研究方法的科學(xué)家．

二、伽利略與自由落體

亞里士多德的學(xué)說(shuō)在十六世紀(jì)仍然如日中天，人人都奉為經(jīng)典，沒(méi)有人提出任何的懷

疑。亞里士多德關(guān)于「自由落體」的學(xué)說(shuō)是：物體自高處自由落下的速度和重量成正比。也

就是說(shuō)，一個(gè)十磅重的物體，下墜的速度會(huì)比一磅重的物體快十倍。這個(gè)學(xué)說(shuō)在大小的外表

上看來(lái)，似乎非常的合理，而且人人也都相信學(xué)說(shuō)的真確性，教授們嚴(yán)肅的把這個(gè)學(xué)說(shuō)教給

他們的學(xué)生，學(xué)生們也都敬謹(jǐn)?shù)慕邮苓@個(gè)學(xué)說(shuō)，只有伽利略表示懷疑。

伽利略曾經(jīng)親眼目睹大小不同的冰雹，同時(shí)一起掉落到地。根據(jù)常識(shí)判斷，它們似乎

是從同一高度一起下墜的，但是按照亞里士多德的學(xué)說(shuō)，較大的冰雹應(yīng)該先落到地面上，小

冰雹在接著掉來(lái)，伽利略觀察到的并非如此。

他做了許多實(shí)驗(yàn)，發(fā)覺亞里士多德的學(xué)說(shuō)是錯(cuò)誤的，他決心指出這項(xiàng)錯(cuò)誤。傳說(shuō)有一

天，他邀請(qǐng)有關(guān)的教授到比塞塔前，拿出一個(gè)一百磅的重體，和一個(gè)一磅的重體。

伽利略問(wèn)所有的教授們：

「假如這兩個(gè)重體同時(shí)自塔頂自由落下，結(jié)果如何？」

教授們議論紛紛，誰(shuí)也沒(méi)有做過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有人敢預(yù)料結(jié)果如何。

以往，他們按亞里斯多德的學(xué)說(shuō)照本宣科，從來(lái)沒(méi)有懷疑過(guò)?，F(xiàn)在，居然有一位二十

五歲的青年，提出了要求證據(jù)的疑問(wèn)。結(jié)果呢？要是兩個(gè)重體以非常懸殊的速度墜落地面，

教授們可以松一口氣，證明亞里士多德的學(xué)說(shuō)是正確的，伽利略將被冠上「說(shuō)謊者」、「攪局

者」的罪名。要是兩個(gè)重體同時(shí)墜落地面？又將如何解釋呢？是揚(yáng)棄奉行多年的亞里士多德

學(xué)說(shuō)，接受伽利略實(shí)驗(yàn)所證明的事實(shí)，還是對(duì)伽利略的實(shí)驗(yàn)視若無(wú)睹？

比薩塔的傾斜度可以使墜體不受阻礙，伽利略塔頂大喊：

「看清楚了沒(méi)有？下來(lái)了！」

兩個(gè)重體砰然而下，小的重體始終和大的重體并行，而且同時(shí)落地。這兩個(gè)重體的砰

然一聲，并不表示亞里士多德的學(xué)說(shuō)已經(jīng)崩潰。因?yàn)檫@一群教授在不想相信一件真實(shí)事物的

時(shí)候，根本不去看一看、摸一摸，無(wú)論如何也不愿意承認(rèn)亞里士多德的學(xué)說(shuō)是錯(cuò)誤的。更荒

謬的是他們反而懷疑伽利略為了證實(shí)速度相同，而在重體內(nèi)隱藏了「魔術(shù)」。

三、評(píng)述伽利略的科學(xué)研究方法

①比薩有座著名的塔，建于1173年。塔高54．6m（179英尺），由于塔基問(wèn)題，塔身

發(fā)生傾斜，那正是理想落體實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。伽利略為了證明他的論斷，他邀請(qǐng)了許多人到斜塔旁

觀看，有他的支持者，也有他的反對(duì)者。伽利略一手拿著1只0．454kg（1磅）重的鉛球，

另一手拿著一只4．54kg（10磅）重的鉛球，一步一步地登上斜塔，那些支持亞里士多德的

學(xué)者發(fā)出“噓噓”的嘲笑聲，準(zhǔn)備看他“失敗”的實(shí)驗(yàn)。伽利略到了塔頂，向下面人作了手

勢(shì)，叫喊著：“現(xiàn)在請(qǐng)各位注意！”他隨即一松手，兩只鉛球筆直落下。“啪”地一聲，兩

個(gè)重量不等的鉛球同時(shí)落地。

②伽利略用實(shí)驗(yàn)方法證明亞里士多德的看法是錯(cuò)誤的，還用實(shí)驗(yàn)證明了力不是維持物

體運(yùn)動(dòng)而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，并根據(jù)斜面實(shí)驗(yàn)，提出慣性的概念，總結(jié)出了慣性定

律，自由落體運(yùn)動(dòng)定律，相對(duì)性原理，發(fā)現(xiàn)了單擺等時(shí)性原理，用自制的33倍望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了

一系列天文現(xiàn)象。

③伽利略為了確立新的自然研究法──實(shí)驗(yàn)法的地位，又同教會(huì)的唯心論世界觀進(jìn)行

了激烈的斗爭(zhēng)，受到羅馬宗教法庭的