一顆蘋果引發(fā)的思考

【摘 要】新課程理念要求教師注重“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”以及“注意學(xué)科滲透，關(guān)心科技發(fā)展”。物理學(xué)作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在這方面有得天獨(dú)厚的條件，我們在物理教學(xué)過程中，應(yīng)充分挖掘教學(xué)資源，使物理學(xué)真正成為一門科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)緊密聯(lián)系，學(xué)生極感興趣的學(xué)科。本文通過《萬有引力定律及應(yīng)用》的創(chuàng)新課堂教學(xué)方式介紹，旨在拋磚引玉，希望更多的老師在備課過程中，更多地挖掘課程資源，豐富課堂教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】蘋果 萬有引力

1、教材還原

關(guān)于萬有引力部分，我們不妨先看看魯科版高中物理必修二教材中的處理。第一節(jié)萬有引力定律及引力常量的測定。先介紹行星運(yùn)動(dòng)三大定律。行星的運(yùn)動(dòng)為什么不會(huì)脫離太陽，牛頓將地面物體自由下落與行星運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一，從而引出萬有引力定律，介紹引力常量的測定及意義。第二節(jié)萬有引力定律的應(yīng)用。介紹人造衛(wèi)星為什么能上天，引出三大宇宙速度，并介紹利用萬有引力定律預(yù)測未知天體。第三節(jié)人類對太空的不懈追求，介紹人類對太空的不斷探索過程[1]。正常情況下，我們上課過程會(huì)有如下安排：

2、教材處理

我們在備課過程中，萬有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用還會(huì)做如下處理：

1、基本方法：把天體的運(yùn)動(dòng)看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其所需向心力由萬有引力提供：；2、天體質(zhì)量，密度的估算；3、環(huán)繞天體的繞行速度，角速度、周期與半徑的關(guān)系；4、三種宇宙速度；5、近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星；6、衛(wèi)星變軌問題；7、雙星系統(tǒng)。

3、教學(xué)反思及處理

3.1 存在問題

上述知識(shí)點(diǎn)的整合相當(dāng)完美，內(nèi)容充實(shí)，簡潔明了，配合習(xí)題課講解，堪稱完美，非常適用于正常教學(xué)流程，利于學(xué)生應(yīng)對各種考題。

但是，當(dāng)我們問及“太空為什么會(huì)完全失重”類似這樣的問題時(shí)，卻沒有多少學(xué)生能夠回答得很清楚。

看來我們在這里的教學(xué)中忽視了點(diǎn)什么。我們有必要在這部分教學(xué)中添加點(diǎn)什么。

3.2 教學(xué)資源整合及安排

我們可以嘗試做如下處理：

第一節(jié)中，當(dāng)我們提到行星圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，為什么既不會(huì)脫離太陽，又不會(huì)墜向太陽？牛頓總結(jié)了前人的研究成果，于1687年在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中正式提出了萬有引力定律。

蘋果落地、高處物體落地、月亮繞地旋轉(zhuǎn)……這些現(xiàn)象引起了牛頓的沉思。牛頓經(jīng)過認(rèn)真的思考，認(rèn)為地面上物體的自由下落與天空中月亮圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的道理是相同的，都是由于地球?qū)λ鼈冇幸ψ饔谩?/p>

為什么相同？有什么共同點(diǎn)？我們一般只提到，都受到萬有引力作用，沒有再往下深究了，這是導(dǎo)致學(xué)生無法回答我們提出的這個(gè)問題的原因。

因此，當(dāng)我們開始進(jìn)入第二節(jié)的教學(xué)時(shí)，我們可以再次以牛頓的思考作為引入，提出問題，解決問題。以下討論問題，均只考慮萬有引力作用。

問題一、蘋果為什么落地？

蘋果在地球上受到地球的萬有引力，初速度為零，在忽略空氣阻力的情況下自由下落。

問題二、蘋果以某一水平速度平拋，如何？

做平拋運(yùn)動(dòng)。

問題三、同一高度將蘋果平拋，平拋的水平初速度不斷增大，會(huì)如何？

蘋果落地的水平位移不斷增大，當(dāng)速度達(dá)到一定值時(shí)，蘋果就無法回到地面了（如圖1所示）。這就是牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中的拋體運(yùn)動(dòng)圖。

問題四、蘋果以足夠大的速度拋出，就無法回到地面了，那它做什么運(yùn)動(dòng)呢？

蘋果仍然受到萬有引力作用，做圓周運(yùn)動(dòng)或離心運(yùn)動(dòng)。

問題五、同樣一顆蘋果，同樣受到萬有引力作用，為什么卻表現(xiàn)出完全不同的運(yùn)動(dòng)特征？

這與蘋果的初始狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)蘋果靜止時(shí)，在重力作用下，做自由落體運(yùn)動(dòng)；當(dāng)蘋果以一個(gè)較小的水平初速度拋出時(shí)，做平拋運(yùn)動(dòng)；當(dāng)水平初速度大到一定程度時(shí)，蘋果做圓周運(yùn)動(dòng)；繼續(xù)增大水平初速度，蘋果做離心運(yùn)動(dòng)。

同樣的道理，要把衛(wèi)星發(fā)射上天，衛(wèi)星要獲得足夠大的速度，當(dāng)衛(wèi)星達(dá)到某一速度時(shí)，就可以圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。我們把這個(gè)速度稱之為第一宇宙速度。由得，近地衛(wèi)星，r為地球半徑，代入數(shù)據(jù)即可得到第一宇宙速度v=7.9km/s。緊接著再介紹第二、第三宇宙速度。

問題六、我們知道，太空中處于完全失重狀態(tài)，為什么？

讓我們先回顧一下完全失重的概念及條件。概念簡單的說就是視重為零，條件是豎直向下的加速度正好等于重力加速度g。再看看水流星表演（如圖2），當(dāng)水流星在最高點(diǎn)的速度達(dá)到時(shí)，杯中的水僅受到重力作用，重力提供向心力，水流星做圓周運(yùn)動(dòng)。杯底對水的作用力為零，即視重為零。杯中水的加速度為g，方向豎直向下。杯中的水顯然處于完全失重狀態(tài)。（轉(zhuǎn)下頁）

（接上頁）同樣的道理，對于盒子內(nèi)裝著小球做圓周運(yùn)動(dòng)（如圖3），當(dāng)盒子在最高點(diǎn)速度達(dá)到時(shí)，盒子內(nèi)的小球處于完全失重狀態(tài)。

我們再來分析太空艙中的宇航員。假設(shè)太空艙繞著地球做圓周運(yùn)動(dòng)，類似近地衛(wèi)星，受到萬有引力作用，加速度為重力加速度g，方向指向地心，可認(rèn)為豎直向下，符合完全失重條件。因此，類似水流星中的水、盒子中的小球，對于太空艙內(nèi)的物體，完全失重，處于漂浮狀態(tài)。

可見，同樣是完全失重，只不過他們的運(yùn)動(dòng)形式稍有不同。不管是自由落體，還是拋體，又或者是太空艙，他們都處于完全失重狀態(tài)。

問題七、同樣一顆蘋果，展現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)形式，我們能不能做個(gè)統(tǒng)一？

當(dāng)水平初速度為零時(shí)，自由落體；當(dāng)有一較小水平初速度時(shí)，平拋運(yùn)動(dòng)；當(dāng)速度達(dá)到（R為地球半徑）時(shí)，繞地球圓周運(yùn)動(dòng)；當(dāng)速度超過某個(gè)值時(shí)，離心運(yùn)動(dòng)。自由落體及拋體運(yùn)動(dòng)即為近心運(yùn)動(dòng)。

對于繞地球圓周運(yùn)動(dòng)的蘋果，F(xiàn)供=F引，F(xiàn)需=，當(dāng)F供=F需時(shí)，蘋果繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)；當(dāng)F供>F需，蘋果做近心運(yùn)動(dòng)，自由落體，v=0，F(xiàn)需=0，平拋運(yùn)動(dòng)，速度較小，F(xiàn)需較小，這兩種情況，F(xiàn)供>F需；當(dāng)F供

可見，我們可以把上述問題歸為近心、圓周、離心運(yùn)動(dòng)。

接下來的教學(xué)就圍繞著圓周、離心運(yùn)動(dòng)展開。圓周運(yùn)動(dòng)解決相關(guān)推論公式的推導(dǎo)及應(yīng)用，離心運(yùn)動(dòng)解決變軌問題。

4、小結(jié)

物理學(xué)以揭示大自然的奧秘，發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律為目的，真實(shí)描述自然世界是物理學(xué)的最高理想，一直以來它被人們認(rèn)為是一門極為嚴(yán)格的、客觀的學(xué)科。物理學(xué)是和自然現(xiàn)象、科學(xué)技術(shù)及社會(huì)生產(chǎn)、日常生活緊密聯(lián)系的?？茖W(xué)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步以及一些重大的社會(huì)問題的解決都離不開物理知識(shí)。

但是，就像本文第二部分教材處理歸納的那樣，我們學(xué)生在理解相關(guān)知識(shí)的情況下，只能機(jī)械地解答各種各樣的題目。雖也能解釋部分日常生活、科學(xué)技術(shù)問題，但當(dāng)問及最基本的“為什么太空會(huì)完全失重”的問題時(shí)，學(xué)生卻無法應(yīng)對。學(xué)生缺乏科學(xué)研究精神，缺乏對科學(xué)問題執(zhí)著追求的精神。新課程理念要求教師注重“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”以及“注意學(xué)科滲透，關(guān)心科技發(fā)展”[2]。我們在日常的教學(xué)中應(yīng)注重理論聯(lián)系實(shí)際，把知識(shí)與應(yīng)用、科技進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展，價(jià)值觀與關(guān)注社會(huì)融于教學(xué)過程之中，不僅使物理教學(xué)的素質(zhì)教育內(nèi)容更趨完整，而且體現(xiàn)其時(shí)代性。在把科學(xué)知識(shí)作為教育載體的同時(shí)，應(yīng)著意于滲透引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)精神，學(xué)習(xí)科學(xué)家的執(zhí)著和毅力，充分揭示科學(xué)的真善美，以激起人性中對真善美的追求之心，使培養(yǎng)出的人才既掌握了現(xiàn)代科技知識(shí)，又具有高尚的思想品德情操。

參考文獻(xiàn)

[1]魯科版高中物理必修二.廖伯琴主編

[2]物理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀.廖伯琴主編