关于重力加速度的研究性学习探讨，本文主要内容关键词为：重力加速度论文,研究性学习论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
重力加速度是中学物理中一个非常重要的物理量，在高中物理教材中，重力加速度这一物理量是在“自由落体运动”这一节中被引入的，但教材并未对重力加速度产生的原因、重力加速度与地理位置的关系、人造卫星或宇宙飞船中的物体受重力作用产生与地面上不同的奇异物理现象，如何测量重力加速度等问题做过多介绍，笔者以此为课题，充分调动学生学习上的积极性和主动性，开展了学生对本课题的研究性学习，下面是对这个问题做一肤浅研究的具体实施情况。
一、背景及意义
(1)巧秒的推理
在同一高度同时释放面积相等的一金属片和一张纸片，可以看到金属片比纸张下落得快。从这里可以得到结论：物体下落的快慢是由它们的重力决定的，物体越重，下落得越快。公元前4世纪古希腊哲学家亚里士多德就是这么认为的，由于他的名望，人们对他的这种观点深信不疑，两千年以后，一位年轻的物理学家伽利略对亚里士多德的观点提出了质疑，他在1638年写的《两种新科学的对话》中指出：假设把两个物体拴在一起，那么快的会由于被慢的拖着而减速，慢的会由于快的而加速……取一块大石头，设它下落的速率为8，一块小石头，设它下落的速率为4，将它们拴在一起，整个系统的下落的速率应该小于8，但是两块石头拴在一起要比以前那个速率为8的石头重……，这样从重物比轻物下落的快的假设中推出了重物下落得更慢的结论，从而否定了流传两千年的落体运动的谬论。
(2)落体定律的建立
伽利略根据不同重力的物体几乎同时落地的事实提出假设，他认为，只有假定下落物体速度变化的快慢与物体的重量无关，才能消除一些矛盾，伽利略就是从自由落体运动入手，认为自由落体是初速度为零的匀加速直线运动，于是得到v∝t这一结论。但是要验证这一结论是十分困难的。他首先借助于数学演绎推理的方法，求出了物体做自由落体运动的距离与时间的关系
。伽利略进而通过实验验证由假设得到了结论。为了冲淡重力，减缓下落运动，他进行了著名的斜面实验，改变木板的倾斜角，做了无数次的实验，从而证明了在光滑的斜面上从静止开始运动的物体都做匀加速直线运动，若斜面的倾斜角为90°，就是自由落体运动，由外推方法得到的结论还要经过实验的验证才能得到承认，他是用单摆实验加以验证的，尽管他得出了自由落体的结论，但没有测出重力加速度的大小。
(3)意义
以上述的知识为背景，教师要进一步让学生理解重力加速度产生的原因、与地理位置的关系、重力加速度如何测量等，以此加深对重力加速度的物理含义认识，开展课题研究学习。体现当前物理教改课程理念“高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神”。
二、课题研究学习内容范围界定
(1)了解重力加速度产生的原因。
(2)分析说明重力加速度与地理位置的关系。
(3)收集材料认识人造卫星或宇宙飞船中的物体受重力作用与地面上物体产生的物理现象是否相同？
(4)如何测量重力加速度？设计出合理可操作性的实验方法。
三、研究方法
资料查阅法、分析法、讨论法、实验法、观察法。
四、实施步骤
(1)选题分组：根据课题研究学习内容界定分四组，每个学生根据自己的兴趣和爱好选题（选题量不限），作为研究的内容。
(2)制定实施计划，设计实施过程方案。
(3)准备器材并收集相关的资料。
(4)中期实施，教师指导。
(5)材料整理、分析和提炼观点，并撰写材料研究报告。
(6)成果交流、讨论。
(7)教师评价实施情况。
五、主要研究成果展示（依据研究学习中较好者选录）
(1)分析重力加速度产生的原因
这可从牛顿第二定律F=ma找到答案。力是物体产生加速度的原因，地面上一切物体均受到地球的万有引力的作用，由于地球的吸引而使物体受到的力叫做重力，物体因重力作用而产生的加速度叫重力加速度，用g表示，它的大小可以表示为
，其中G为物体的重力，重力加速度的方向与重力的方向一致，竖直向下。
(2)研究重力加速度与地理位置的关系
教材中讲到，在地球的不同地方，重力加速度的大小不同，具体数据查阅材料列表1所示，那么，如何解释这一现象呢？
表1
这要从重力的产生说起，地球是一个两极半径较小，赤道半径较大的椭球体，假设有一质量为m的物体置于地球表面的某一位置P点，该点到地心的距离为R（如图1），物体受到的引力为
，其中
叫做万有引力常量，地球绕太阳公转的同时，也在绕南北轴自转，地球上物体随地球一起自转所需的向心力为
，其中r为物体随地球自转的半径（r=Rcosθ，θ是纬度），T为地球自转周期。
物体m受地球的引力F和地面的支持力N的作用，两个力的合力等于物体随地球的自转做圆周运动所需的向心力，如果把引力F分解如图1所示两个分力
，重力mg是万有引力的一个分力
，与支持力是一对平衡力，方向垂直地面向下，由于地球是椭球形的，因此重力的方向并不指向地心。重力与引力的关系可表示为：
（R为地球半径，＋表示
和mg的矢量和）随着纬度θ的增大，向心力越来越小，重力越来越大，在南北两极，向心力为零，重力最大，这就是为什么同一物体在地球的不同纬度重力不等的原因。
通过上面的讨论可知：重力加速度与地理位置有关，随纬度的增大而增大。用公式表示为
。此式适用于任何天体表面重力加速度的计算。
(3)人造卫星或宇宙飞船中奇异的物理现象
在环绕地球运转的人造卫星或宇宙飞船中，由于物体处于完全失重状态，将会产生与地面上不同的奇异物理现象，举例：①天平杆秤不能称重。②水银气压计失效。③钟摆不摆。④液体密度计不能使用。⑤气泡水平仪失效。⑥虹吸管失效。⑦重垂线失效。⑧连通器里同种液体的液面可以不相平。⑨绳挂物体无拉力，桌面放物体无压力。⑩杯子倾斜，杯里的水不会倒出来。(11)抛出的物体都做匀速直线运动。(12)物体可静止于空间任何地方，一团液体因表面张力作用呈球形悬于空间。(13)医院常用的输液装置失效。(14)液体、气体不能靠对流传流。(15)铁块、本块均可悬浮于液体中。(16)烧开水气泡不上升。(17)鱼缸里的金鱼，其肚内气泡失去升降控制作用，只能靠两鳍和尾部的动作在水里游动，稍不留心，就会跃出水面不能回转。
(4)归纳部分学生测量重力加速度的主要方法
a.称重法
利用G=mg，得出
。
所用器材：天平，弹簧秤。
b.单摆法
由单摆周期公式
。
测量出单摆的摆长和周期，就可测量出当地的重力加速度g。
所用器材：单摆，刻度尺，秒表，游标卡尺。
c.利用打点计时器
根据匀变速直线运动的规律，
，让研究对象做自由落体运动，则有
。
所用装置：使用验证机械能守恒定律的装置。
d.滴水法
让从水龙头里流出的水滴落到正下方的盘子中，可以清晰地听到水滴碰盘子的声音，调节水龙头的阀门，使第一个水滴碰到盘子的瞬间，第二个水滴刚好从水龙头开始下落。用秒表测出n滴水滴落到盘子中的时间t，用刻度尺量出水龙头滴水处到盘子的竖直距离h，由
求出g。
e.斜面法
实验器材：倾角固定的斜面，木块，米尺。
方法：a.测出斜面长度s，高度h；b.在最低点给木块一初速度，让其沿斜面匀减速上滑，记下到达最高点的时间
，并测出滑行的距离
；c.将木块从斜面顶端自由下滑，测出到达底端的时间
；d.处理：上滑段
，下滑段
，解得
六、对学生研究活动的评价
教师对学生研究活动的评价要重在学习过程而非研究的结果；要重在知识技能的应用而非掌握知识的数量；要重在亲身参与研究性实践活动，获得感悟的体验，而非一般地接受别人传授的经验：要重在全员的参与，而非只关注少数尖子学生。在此，评价要和学生的参与态度、过程中角色、技能的发挥相结合；还要重视学生在学习过程中的自我评价和白我改进，使评价过程成为学生学会“实践——反思——实践”、发现自我、欣赏别人的过程；教师要更注重评价的激励性，努力形成有助于广大学生积极探究、勇于创新的气氛。
本课题研究的评价主要从以下四个方面：一是学生参与研究活动的态度；二是学生在研究过程中所获得的体验情况；三是学生在研究过程中所取得的成果情况；四是学生创新精神和探究实践能力的发展情况。表2内容中A、B、C、D分别表示优秀、良好、合格、待完善。
表2 课题研究学习活动评价表
七、教师点评
研究性学习是科学教育课程中的一种重要方法，其功能在于培养学生的科学素养，培养学生探究能力，利用科学方法解决实际问题能力。在研究性学习活动中，从资料查阅、收集、实践、数据处理、信息分析都要自己亲自完成，充分发挥了学生的主体作用，让学生真正成为学习的主人；同时研究性学习一般是以问题为中心，引导学生去发现问题，找出探索解决问题的途径和方法，这又培养了他们的实践能力。尽管在研究过程中存在着许多不足，学生在查阅资料时合作性不多，对收集到的资料、数据的分析处理不足，学生还不习惯于独立研究问题，依赖性较强。但从研究过程分析，绝大多数学生在本课题的研究过程中是比较成功的，研究的内容是切实可行的，研究方案的制定是比较合理的，在研究活动中，从知识到能力都有不同程度的收获和提高，在研究中暴露出的问题，有待以后进一步完善、提高。