伽利略对自由落体运动的研究

5 伽 利 略 对 自 由 落 体 运 动 的 研 究1 了 解 伽 利 略 对 自 由 落 体 运 动 的 研 究 过 程 ， 体 会 其 科 学 实 验 与推 理 的 过 程 2 领 会 伽 利 略 在 研 究 中 所 使 用 的 科 学 方 法 3 进 一 步 明 确 自 由 落 体 运 动 的 性 质 和 条 件 同 样 快变 速均 匀位 移 所 用 的 时 间 匀 加 速 直 线 相 同增 大 匀 变 速 直 线 提 出 假 设 得 出 推 论实 验 对 推 论 假 说 修 正 和 推 广实 验逻 辑 推 理 (包 括 数 学 推 演 ) 一 、 绵 延 两 千 年 的 错 误1 亚 里 士 多 德 认 为 物 体 下 落 的 快 慢 是 由 它 们 的 重 量 决 定 的 这 一 论 断 符 合 人 们 的常 识 ， 以 至 于 其 后 两 千 年 的 时 间 里 ， 人 们 一 直 信 奉 他 的 学 说 2 亚 里 士 多 德 是 世 界 历 史 上 了 不 起 的 大 人 物 ， 在 科 学 界 有 着 很 大 贡 献 ， 他 对 自 由落 体 运 动 的 认 识 代 表 了 人 类 对 自 由 落 体 运 动 的 初 步 探 索 我 们 应 这 样 看 待 亚 里 士 多 德 的观 点 ： 第 一 ， 是 人 类 迈 出 的 第 一 步 ， 有 很 大 的 进 步 性 ； 第 二 ， 是 错 误 的 ； 第 三 ， 统 治 了两 千 年 二 、 逻 辑 的 力 量1638年 ， 伽 利 略 对 亚 里 士 多 德 的 观 点 提 出 了 质 疑 伽 利 略 认 为 ， 如 果 重 物 比 轻 物 下落 得 快 ， 那 么 ， 把 重 物 和 轻 物 拴 在 一 起 ， 重 物 速 度 会 被 轻 物 拖 着 而 减 小 ， 轻 物 速 度 则 会 被 重 物 拖 着 而 增 大 ， 拴 在 一 起 时 对 应 的 下 落 速 度 应 小 于 单 个 重 物 的 下 落 速 度 ； 从 另 一 角度 看 ， 重 物 和 轻 物 拴 在 一 起 ， 总 重 力 增 加 了 ， 那 么 对 应 的 下 落 速 度 应 比 单 个 重 物 大 伽利 略 从 亚 里 士 多 德 的 理 论 出 发 ， 推 出 了 两 个 矛 盾 的 结 论 由 此 ， 伽 利 略 认 为 只 有 一 种 可能 性 ： 重 物 和 轻 物 应 该 下 落 得 同 样 快 . 2 (1)伽 利 略 的 科 学 研 究 过 程 的 基 本 要 素 ：对 现 象 的 一 般 观 察 提 出 假 设 运 用 逻 辑 (包 括 数 学 )得 出 推 论 通过 实 验 对 推 论 进 行 检 验 对 假 说 进 行 修 正 和 推 广 (2)伽 利 略 科 学 思 想 方 法 的 核 心 是 把 实 验 和 逻 辑 推 理 (包 括 数 学 推 演 )完 美 地 结 合 起 来 请 你 回 顾 伽 利 略 探 究 物 体 下 落 规 律 的 过 程 ， 判 定 下 列 哪个 过 程 是 伽 利 略 的 探 究 过 程 ( )A 猜 想 问 题 数 学 推 理 实 验 验 证 合 理 外 推 得 出 结 论B 问 题 猜 想 实 验 验 证 数 学 推 理 合 理 外 推 得 出 结 论C 问 题 猜 想 数 学 推 理 实 验 验 证 合 理 外 推 得 出 结 论 D 猜 想 问 题 实 验 验 证 数 学 推 理 合 理 外 推 得 出 结 论 【 解 析 】 伽 利 略 的 研 究 方 法 是 ： 对 现 象 的 一 般 观 察 ， 提 出问 题 ； 提 出 假 设 ； 运 用 逻 辑 (包 括 数 学 )得 出 结 论 ； 通 过 实验 对 推 论 进 行 检 验 ； 对 假 说 进 行 修 正 和 推 广 【 答 案 】 C 伽 利 略 以 前 的 学 者 认 为 ， 物 体 越 重 ， 下 落 越 快 伽 利 略 等 一 些 物 理学 家 否 定 了 这 种 看 法 (1)在 一 高 塔 顶 端 同 时 释 放 一 片 羽 毛 和 一 个 玻 璃 球 ， 玻 璃 球 先 于 羽 毛 到 达 地面 ， 这 主 要 是 因 为 ( )A 它 们 的 质 量 不 等B 它 们 的 密 度 不 等C 它 们 的 材 料 不 同D 它 们 所 受 的 空 气 阻 力 不 等(2)在 此 塔 顶 端 同 时 释 放 大 小 相 等 的 实 心 铁 球 和 空 心 铁 球 ， 空 气 阻 力 可 忽 略不 计 ， 下 列 说 法 中 正 确 的 是 ( ) 若 考 虑 空 气 阻 力 ， 它 们 受 到 的 空 气 阻 力 不 等 它 们 的 加 速 度 相 等 它 们 落 地 的 速 度 不 等 它 们 下 落 的 时 间 相 等A B C 只 有 D 只 有 【 答 案 】 (1)D (2)B【 解 析 】 羽 毛 下 落 时 空 气 阻 力 不 能 忽 略 ， 玻 璃 球 和 铁 球 下 落 时空 气 阻 力 可 以 忽 略 (1)玻 璃 球 先 于 羽 毛 到 达 地 面 ， 这 主 要 是 因 为 羽 毛 受 到 的 空 气 阻 力大 的 缘 故 正 确 选 项 为 D.(2)大 小 相 等 的 实 心 铁 球 和 空 心 铁 球 受 到 的 空 气 阻 力 相 等 在 忽 略空 气 阻 力 的 情 况 下 ， 两 球 均 做 自 由 落 体 运 动 ， 它 们 的 加 速 度 相 等 因下 落 高 度 相 等 ， 故 下 落 的 时 间 相 等 ， 落 地 的 速 度 相 等 正 确 选 项 为 B. 伽 利 略 用 实 验 验 证 v t的 最 大 困 难 是 ( )A 不 能 很 准 确 地 测 定 下 落 的 距 离B 不 能 测 出 下 落 物 体 的 瞬 时 速 度C 当 时 没 有 测 量 时 间 的 仪 器D 当 时 没 有 记 录 物 体 运 动 的 数 码 相 机【 解 析 】 在 当 时 的 实 验 条 件 下 ， 不 能 测 出 下 落 物 体 的 瞬 时 速 度 ，使 实 验 无 法 进 行 ， 故 B正 确 【 答 案 】 B 科 学 探 究 活 动 通 常 包 括 以 下 环 节 ： 提 出 问 题 、 作 出 假 设 、 制 定 计 划、 收 集 证 据 、 评 估 交 流 等 一 组 同 学 研 究 “ 运 动 物 体 所 受 空 气 阻 力 与 运 动 速度 关 系 ” 的 探 究 过 程 如 下 ：A 有 同 学 认 为 ： 运 动 物 体 所 受 空 气 阻 力 可 能 与 运 动 速 度 有 关 B 他 们 计 划 利 用 一 些 “ 小 纸 杯 ” 作 为 研 究 对 象 ， 用 超 声 测 距 仪 等 仪 器 测量 “ 小 纸 杯 ” 在 空 中 直 线 下 落 时 的 下 落 距 离 、 速 度 随 时 间 变 化 的 规 律 ， 以 验证 假 设 C 在 相 同 的 实 验 条 件 下 ， 同 学 们 首 先 测 量 了 单 个 “ 小 纸 杯 ” 在 空 中 下 落过 程 中 不 同 时 刻 的 下 落 距 离 ， 将 数 据 填 入 下 表 中 ， 下 图 甲 是 对 应 的 x t图 线； 然 后 将 不 同 数 量 的 “ 小 纸 杯 ” 叠 放 在 一 起 从 空 中 下 落 ， 分 别 测 出 它 们 的 vt图 线 ， 如 图 乙 中 图 线 1、 2、 3、 4、 5所 示 D 同 学 们 对 实 验 数 据 进 行 分 析 、 归 纳 后 ， 证 实 了 他 们 的 假 设 时 间 /s 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0下 落 距 离 /m 0.000 0.036 0.469 0.957 1.447 x回 答 下 列 问 题 ：(1)与 上 述 过 程 中 A、 B步 骤 相 应 的 科 学 探 究 环 节 分 别 是_、 _.(2)图 甲 中 的 AB段 反 映 了 运 动 物 体 在 做 _运 动 ， 表 中 x处 的 值 为_(3)图 乙 中 各 条 图 线 具 有 共 同 特 点 ， “ 小 纸 杯 ” 在 下 落 的 开 始 阶 段 做_运 动 ， 最 后 “ 小 纸 杯 ” 做 _运 动 (4)比 较 图 乙 中 的 图 线 1和 5， 指 出 在 1.0 1.5 s时 间 段 内 ， 速 度 随 时 间 变 化关 系 的 差 异 ：_ 【 解 析 】 (1)A、 B步 骤 相 应 的 科 学 探 究 环 节 分 别 是 ： 作 出 假 设 ， 搜集 证 据 (2)从 x t图 象 可 以 看 出 AB段 是 向 上 倾 斜 的 直 线 ， 所 以 是 匀 速 直 线 运动 ， 此 匀 速 直 线 运 动 将 一 直 保 持 到 纸 杯 落 地 由 于 从 1.2 s 1.6 s和 1.6 s 2.0 s两 个 时 间 段 相 等 (都 是 0.4 s)， 故 两 段 下 落 的 高 度 相 等 ， x1.447 m (1.447 0.957)m 1.937 m .(3)在 开 始 阶 段 ， 加 速 度 逐 渐 减 小 ， 最 后 减 为 零 故 开 始 先 做 加 速 度 减小 的 加 速 运 动 ， 最 后 做 匀 速 运 动 (4)由 图 可 以 看 出 ， 在 1.0 1.5 s内 图 线 1表 示 速 度 不 再 变 化 ， 图 线 5表示 速 度 在 增 加 【 答 案 】 (1)作 出 假 设 搜 集 证 据 (2)匀 速 1.937 (3)加 速 度逐 渐 减 小 的 加 速 匀 速 (4)图 线 1反 映 速 度 不 随 时 间 变 化 (或 图 线 1反映 纸 杯 做 匀 速 运 动 )， 图 线 5反 映 速 度 随 时 间 继 续 增 大 (或 图 线 5反 映纸 杯 依 然 在 做 加 速 度 逐 渐 减 小 的 加 速 运 动 )