6.3: ガリレオの落下体 (2023)

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ガリレオの最初の伝記の 1 つは、有名なピサの斜塔の頂上からさまざまな重さの鉄球を落とすという彼の有名な実験について説明しています。ガリレオは、重さに関係なく、すべての物体が同じ速度で落下することを証明しようとしました。アクティビティ #14 で、振り子も重量の影響を受けなかったことを思い出してください。振り子のスイングの時間の長さを変更する唯一の方法は、振り子を保持している紐の長さを変更することでした。

アリストテレスの科学的モデルは、物体が地球に落下したのは「自然な場所に到達したかった」ためであり、物体が重ければ重いほど、より速く落下すると述べました.ガリレオが行った実験を行うこと自体は単純ですが、アリストテレスは決してそれをしなかったようです。アリストテレスの名声は、2,000 年以上にわたって誰も彼の主張に真剣に異議を唱えなかったほどのものでした。ガリレオの実験は、正確な観測データを収集し、それを科学モデルの予測と比較することの有用性を示しています。これは、科学が自らの誤りを正すメカニズムそのものです。

学術基準

科学と工学の実践

質問をし、問題を定義します。
調査の計画と実行。
データの分析と解釈。
数学の使用。
証拠からの議論

分野横断的な概念

原因と結果。
次世代科学基準。
力と相互作用 (K-5、6-8、9-12)。
重力と軌道 (6-8、9-12)。

教育者向け

知っておくべき事実

地球上のすべての物体は同じ速度で落下します。このレートは、重力加速度、地球上でのこの速度は 9.81 m/秒です².シンボルを使用しますgこの値を表します。
加速度は、物体の移動速度が一定に変化していることを意味します。

を。加速は、正 (加速) または負 (減速) のいずれかです。

b.地球の加速度は毎秒 9.81 m².これは、落下に費やす 1 秒ごとに速度がほぼ 10 m/s 増加することを意味します。 3 秒間落下した後、29 m/s 以上移動しています。これはほぼ 66 mph です!

教育と教育学

この実験は、アクティビティ 14 の振り子のように、物体が地面に向かって自由に落下するときはいつでも、慣性と重力が密接に関連しており、正確に釣り合っていることを示しています。私たちの旧友アリストテレス重い物が落ちるという有名な言葉彼ら欲しい地球の中心に到達する。

アリストテレスは、重い物体は「もっと落下したい」ため、軽い物体と一緒に落とした場合、より速く落下し、最初に地面にぶつかると仮定しました。アリストテレスは天才および科学者として非常に尊敬されていたので、彼の考えはほぼ2000年間疑問視されませんでした! 「アリストテレスが言ったから信じます！」何世紀にもわたって学識ある男女の態度でした。

ガリレオは、確立された見解に積極的に立ち向かい、これらのアイデアを実験でテストした最初の人物の 1 人でした。重力と太陽系の設計。

アリストテレスの考えに挑戦することは非常に人気がありませんでした。ガリレオは大胆で科学的な調査のために投獄され、人生の最後の 12 年間を拘留されました。これらの実験で子供たちに科学について何かを教えるとしたら、科学には神聖な伝統がないということになります。実験的なテストを行うことで、すべてを疑問視することができますし、そうしなければなりません。「信じないの？」と言う人たち。または「ほとんどの人が同意します。なぜですか!?」私たちの科学的遺産に忠実ではありません！

(Video) 【ゆっくり解説】落体の法則わかりやすく説明

学生の成果

学生は何を発見するでしょうか？

重力により、すべての物体は地球の中心に向かって同じ速度で落下します。
空気抵抗は、軽量または低密度の物体が落下する速度に大きな影響を与える可能性があります。

あなたの生徒は科学について何を学びますか?

科学に神聖な考えはありません。誰が何かを真実だと言ったとしても、どれだけ長く「事実を知っていた」としても、それは実験的な挑戦に耐えなければなりません。
重力は強力で普遍的な力です。重力はすべてに影響を与え、重心(通常、惑星または星の中心。)
重力と慣性密接に関連しています。重力 (地球と岩石などの 2 つの物体間の引っ張り力) と慣性 (動きや力に対する抵抗) の正確な一致により、重力の一定の加速が実現します。

活動の実施

材料

長さ約 18 インチの平らな板 (アクティビティ 14 を参照)
爪くらいの大きさのものから、鶏の卵ほどの大きさのものまで、さまざまな岩があります。（重いものならなんでもいいです）
ゆるくくしゃくしゃに丸められた一枚の紙
羽毛または乾燥した葉

ガリレオの自由落下モデルの構築

このモデルは、机やテーブルの端に沿って置かれた単純な平板です。アイデアは、2 つ以上のオブジェクトを同時にボードから傾けて落下させることができるということです。

ガリレオの自由落下モデルの探索

テーブルトップの端に沿ってフラットボードを置きます。
ボードの端に任意の 2 つの岩 (またはその他の重いオブジェクト) を配置します。
ボードをゆっくりと傾け、両方のオブジェクトが落ちるようにします。生徒に、どちらが最初に地面に着地するか見てもらいますか?
おもりのさまざまな組み合わせでこれを試してから、おもりとくしゃくしゃの紙または乾燥した葉を試してみてください。（岩は明らかに最初に地面にぶつかります。）

ディスカッションの質問

ガリレオはアリストテレスが間違っていることをどのように証明しましたか?
- 答えアリストテレスは、最も重い物体は常により速く落下し、最初に地面に衝突すると述べたでしょう。
どの結果が同意アリストテレスと？なぜこれが起こったと思いますか？
- 答えゆっくりと落ちる葉と急速に落ちる岩は、アリストテレスの見解を支持しているように思われます。実際、葉を遅くするのは空気の抵抗であり、岩ははるかに密度が高く、それほど影響を受けません.アポロ 15 号の宇宙飛行士デイビッドスコットが月面に金属製のハンマーとハヤブサの羽を落とした有名な NASA のビデオがあります。空気のない環境では、ハンマーとフェザーの両方が完全に一緒に落ちます。
ガリレオの実験は科学についてどのような教訓を教えてくれますか?
- 答えすべてに質問してください！疑問視されるべきではないほど有名で名誉ある科学理論はありません。理論が予測を行うとき、その予測がどのように維持されるかを確認するためにデータを収集する必要があります!

補足資料

より深く

ガリレオは、主にアリストテレスの考えである長年の信念に挑戦することで知られていました。重力、慣性、摩擦に関するアイデアを探求することとは別に、ガリレオは地球が修理済み、または宇宙で動かない。

アリストテレスは、山が大きすぎて動かすことができない場合、どのような力が地球全体を動かす可能性があると主張しましたか?アリストテレスはまた、地球のおおよその大きさ (円周 24,000 マイル) を知っており、地球が 1 日に 1 回自転すると、地球の表面は時速約 1000 マイルで動いているに違いないことに気付きました。アリストテレスは、これほどの速さは巨大なハリケーンの風を引き起こすだろうと言いましたが、私たちはそのような風を感じないので、地球は静止しているに違いありません。

アリストテレスの主張にどう答える？ガリレオはどのようにしてそうしましたか。アリストテレスの主張に反論する方法がわからないとしても、地球が宇宙に固定されているというアリストテレスの主張は正しかったということですか?

天文学者であること

重力は、月から軌道に打ち上げられる最小の科学衛星、気象衛星、通信衛星まで、地球のすべての衛星の軌道を制御します。衛星を見るのに最適な時間は、日没後の最初の 2 時間または夜明け前の最後の 2 時間です。

静かで晴れた夜に外に出て、芝生の椅子に座って、後ろにもたれて快適に空を眺めることができます。街灯から離れた暗い場所は非常に役立ちます。目が暗闇に順応するにつれて、空をゆっくりと漂うかすかな星がいくつかあることに気付くかもしれません。

それらを注意深く観察してください。点滅している場合、これらは空高く、ある都市から別の都市へと飛んでいる飛行機である可能性が最も高いです。これらの漂流星がまったくまばたきをしない場合、それらは地球の低軌道を移動するときに空を静かに横切って移動する衛星である可能性があります。

(Video) 【物理エンジン】実験をせずに物体の落下速度を証明する方法が凄い

科学者であること

衛星を見つける方法を学べば、簡単な定規を使って速度を判断できます。以前と同じように芝生の椅子を取り出しますが、今回は、センチメートルでマークされた定規と、調査結果を記録するための紙と鉛筆を用意します.親またはパートナーは、仕事をはるかに簡単にします!

空を横切って移動する衛星を見つけたら、定規を腕の長さまで持ち上げて、衛星の進行状況の測定を開始します。測定を開始したら、パートナーに「Go!」と伝えます。タイミングを開始します。可能であれば、衛星の進行状況を 20 ～ 30 cm 測定し、パートナーに「ストップ！」と伝えます。衛星が移動した時間と距離を記録します。

腕の長さで定規を使用すると、1 cm は円弧の 1 度にほぼ等しくなります。度単位の距離を秒単位の時間で割ると、衛星の速度が得られます。重力は地球に近づくほど強くなるため、低軌道にある衛星ほど速く移動します。衛星を軌道上で最低から最高にランク付けできるかどうかを確認してください!

フォローアップ

これらの活動から、アリストテレスの考えはすべてばかげている、または無知であるという印象を受けるかもしれません。真実からかけ離れたものは何もありません。アリストテレスのアイデアのいくつかを調査できるかどうかを確認してください。彼は何をしてそんなに有名になったのですか？

アクティビティ 17: パッカードの加速ランプ

私たちは、重力がすべてのものを地球に落下させることを知っています。誰もが古いことわざを聞いたことがあります。しかし、疑問は残ります。どうやって私たちは落ちますか？飛び込み台からプールに飛び込むと、勢いよく水しぶきが上がります。なぜ小惑星は時速 30,000 マイル以上というものすごい速度で衝突するのでしょうか。こんなに大きな物体がどうしてこんなに速く動くのでしょう?後述するように、落下するときに加速するのは重力です。これを加速と呼びます。加速度.

このアクティビティは簡単なものです。スロープを使用してビー玉の落下速度を遅くし、より簡単に研究できるようにします。ガリレオをはじめ、何世紀にもわたって他の多くの科学者や思想家は、ランプを使用して重力を研究してきました。この装置は、1900 年代初頭にアメリカの高校の科学教師であるジョン・パッカードによって最初に開発されました。このシンプルな装置を教室で再現して、重力についてもっと学ぶことができます!

学術基準

理想気体の法則は覚えやすく、問題の解決に適用できます。適切な値

科学と工学の実践

モデルの開発と使用。
調査の計画と実行。
データの分析と解釈。
数学の使用。
証拠からの議論。

横断的な概念。

原因と結果。
システムとシステムモデル。

(Video) 堕落の法則

次世代の科学基準

力と相互作用 (K-5、6-8、9-12)。
エンジニアリングとデザイン (K-5、6-8、9-12)。
重力と軌道 (6-8、9-12)。