论“自由落体运动”在必修一中的教学地位

论“自由落体运动”在必修一中的教学地位

胡文静

山东省青岛市即墨区第二中学胡文静

关键词：自由落体运动；运动学；动力学

引子：

g=9.8N/Kg，g=9.8m/s2,矛盾？统一？初中明明学的是g=9.8N/Kg，到了高中竟然一转身变成了g=9.8m/s2，学生直言：“老师，我们不服！”

这样的问题很多老师都遇到过，而且几乎每一届学生当学到自由落体的时候都有学生会提出相似的问题。面对学生提出这样的问题，老师的处理方式不尽相同。有的老师比较不喜欢学生提出这样的问题，可能会简单粗暴的告诉学生：“就这样记，高中都是这样用的，初中学的不能继续用了。”学生心里不禁会犯嘀咕：“难道初中学到的是错误的？”有的老师虽然不反感学生提出这样的问题，但是却会委婉的告诉学生：“后面你就知道了，现在还解释不通。”学生在对这个问题最感兴趣的时候，却没有得到答案，会对他们的学习兴趣的培养起到反向作用。当然，也有的老师很喜欢这样提出问题的学生，也想给出让学生能理解的解释，但是由于学生的知识水平有限，尤其是没有学到牛顿第二定律，很有肯能会出现越解释越迷惑的情况，让学生徒增感叹：“物理真难！”

这个问题是在物理必修一的自由落体和重力两节课中遇到的。第一次遇到是在自由落体运动这节课里面。这种表面矛盾但是本质却高度统一的关系，也正体现了自由落体运动这堂课在物理必修一中的教学地位。是一种什么样的教学地位呢？我们还要从这节课的授课过程和前后联系来研究。

正文：

我们以自由落体运动的授课中完成的任务为线索，穿插探讨跟前后课程的联系。

首先，由一组对照实验引出自由落体运动的定义。

对照项是有无空气的阻力，结果是有空气阻力时同一高度从静止下落的物体用时间不同，而没有空气阻力时则时间相同。自由落体运动定义：“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。”

显而易见，自由落体运动的定义是从力的角度进行的。根据初中学习或者后面的重力的知识可以知道，重力是恒力，一个物体在地球表面附件（只要是距离地面的高度没有发生巨大的变化）收到的重力方向是恒定的，大小也几乎是不变的，可以是做是恒力。重力的大小与物体的质量成正比，比例系数为g=9.8N/Kg。“物体只在重力作用下”这句话又指明了自由落体运动的物体收到的合外力就是重力。合外力的概念是牛顿第二定律教学中重点强调的知识点。

其次，由实验获得数据，并由数据分析得出自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，进而知道加速度是一个常数g=9.8m/s2，被称为自由落体加速度，又叫重力加速度。

要获得自由落体运动的数据，就要用到打点计时器，打点计时器是描述物体运动这个单元的一个重要实验课，往往要同刻度尺共同使用。数据出现后，还要根据前面的匀加速运动的相关知识、结论和推论，多数据进行处理，来判定自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。在此基础上再利用匀加速运动的求加速度大小的方法求得自由落体加速度，既然事实证明自由落体运动的加速度与它是什么物体无关，也就是说，自由落体加速度是一个常量，既然是一个常量，为了跟普通的加速度区分，不用a来表示，记做g=9.8m/s2。这样以来，加速度这个物理量就从是一个运动参数这样一个单一的身份一下变成了兼具运动参数和力学参数的双重身份了。

再次，在自由落体运动的授课中还要增加物理学史的介绍，以此提高学生的科学素养。

基于当时的实验条件，伽利略等人对自由落体运动的研究做了科学合理的处理，而且这种处理真正体现了物理学科的学科特点，“物理”——“悟理”——“吾理”是学习物理的一个演化过程，而且物理总是试图用最简单的道理解释最复杂的表象，用同样的一个道理解释越多的表象，甚至是只用一个道理解释世界上所有的表象。要想满足或者近似满足自由落体运动的条件，就需要物体下落的速度不能太快，因为速度越快，空气的阻力就越大，破坏了自由落体运动的条件。然而问题就出现了，速度小就要求下落高度小，下落的时间也相应会减小，在当时的实验测量条件下，测量误差在数据中占比会很大，导致数据可信度降低，甚至与真实的结论相违背。在此难题下，只能在夹缝中生存。伽利略等人巧妙的抓住了自由落体运动受到的重力是恒力的特征，取而代之以斜面上滚落的物体，因为它也受恒力。在这一点上，两者是一致的。而后者的测量难度就大大降低了。

仅就知识联系来看，与自由落体运动这堂课直接有关的课程有：1.3运动快慢的描述——速度、1.4实验：用打点计时器测速度、2.2匀变速直线运动的速度与时间的关系、2.3匀变速直线运动的位移与时间的关系、3.1重力、3.4力的合成、4.3牛顿第二定律、4.4力学单位制。除此之外，自由落体运动还是平抛运动和类平抛运动（比如带电粒子在电场中的偏转）的基础。

就教学价值来说，自由落体运动这节课是对前面几乎所以知识的一个检阅，这节课每讲一个知识，都要综合运用前面很多的知识和技能，可以说如果前面有任何一个漏洞没有掌握，都会影响到这堂课的理解。同时它也提示了我们去思考物体的运动状态是跟受力情况息息相关的，启发我们去思考受恒力的物体会做匀加速运动，而且加速度的大小、方向与所受恒力的大小、方向有关，进而得出牛顿第二定律，这一过程显得很自然流畅。

论点综述：

自由落体运动这堂课在必修一中起到了纽带的作用，检验了运动学的学习效果，又启发了动力学的探讨，就是这堂课让加速度从一个纯粹的运动参数变成了运动和动力双重参数。设想一下，假如把自由落体运动这堂课从必修一中去掉，或者放在平抛运动的前面讲，那高一的课就直接变成了不相干的两部分了。此外，还是进行学科素养（物理学史、当时研究手段）提高的一个好机会。