發(fā)現(xiàn)“萬(wàn)有引力”，發(fā)展物理思維能力

張峰

隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的繁榮發(fā)展，“神舟”系列飛船的不斷成功升空，學(xué)生在一次一次緊張的發(fā)射直播中感同身受，為祖國(guó)的偉大而振奮，同時(shí)，對(duì)頭頂那片浩瀚的天空也充滿(mǎn)了好奇。人教版高中物理必修二第六章《萬(wàn)有引力與航天》一章中，教材詳細(xì)的介紹了行星的運(yùn)動(dòng)、太陽(yáng)與行星之間的引力等，這些運(yùn)動(dòng)和力的作用都離不開(kāi)“萬(wàn)有引力”的作用。那么，在這樣的時(shí)代背景下，老師可以在課堂上帶領(lǐng)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)星空中的“萬(wàn)有引力”，同時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中也鍛煉了學(xué)生的物理思維能力。

一、大膽猜想，放飛想象

對(duì)陌生事物認(rèn)識(shí)的第一步便是大膽猜想。在想象力的不斷豐富與發(fā)展的幫助下，會(huì)一步一步的揭開(kāi)未知事物的神秘面紗。萬(wàn)有引力，這個(gè)只有在航空航天中才用到的物理原理，對(duì)于高中階段的學(xué)生而言，是熟悉且陌生的。那么，在課堂上老師第一步便是鼓勵(lì)學(xué)生去大膽的猜想，放飛自己的想象力，去推開(kāi)發(fā)現(xiàn)“萬(wàn)有引力”的大門(mén)。

萬(wàn)有引力的提出，是源自于非常著名的“牛頓蘋(píng)果樹(shù)”的實(shí)驗(yàn)。在課堂上，老師向?qū)W生提出第一個(gè)問(wèn)題：“為什么蘋(píng)果會(huì)落在地面上？”這樣的問(wèn)題。引導(dǎo)學(xué)生去朝向萬(wàn)有引力的方向去思考。那么，蘋(píng)果最終掉落在地上，就好像地面有一種力去“吸引”蘋(píng)果落下。那么第二個(gè)問(wèn)題：這種“吸引”是如何產(chǎn)生的？第二個(gè)問(wèn)題便指引同學(xué)去更加深入的思考這種吸引力產(chǎn)生的原因。這時(shí)，老師也可以提醒學(xué)生去思考為什么每個(gè)人從原地跳起以后還會(huì)落回地面，那么，人落地的力和蘋(píng)果落地的力是不是同樣的一種力？那么，如果將思考的范圍更加擴(kuò)大，第三個(gè)問(wèn)題：月球繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)、地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，那么維持轉(zhuǎn)動(dòng)的力是怎樣的一種力？這三個(gè)問(wèn)題，從小到大，由具體到抽象，在三個(gè)不同的層面上都將問(wèn)題的關(guān)鍵劃歸在“萬(wàn)有引力”之中。通過(guò)學(xué)生的猜想，首先對(duì)萬(wàn)有引力有了一個(gè)概念上的理解。

通過(guò)蘋(píng)果下落、物體自由落體的一些物理情景的模擬，來(lái)點(diǎn)撥學(xué)生通過(guò)這些非常常見(jiàn)的例子去遐想，進(jìn)而去發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力，激發(fā)了學(xué)生的興趣和想象力。

二、定量計(jì)算，推導(dǎo)檢驗(yàn)

猜想過(guò)后的第二步，就是對(duì)發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)實(shí)的計(jì)算，通過(guò)科學(xué)的推導(dǎo)，最終來(lái)檢驗(yàn)結(jié)論的正確性。這是所有物理過(guò)程的必經(jīng)過(guò)程，那么，萬(wàn)有引力的推導(dǎo)以及引力定律的應(yīng)用，都需要檢驗(yàn)其猜想的合理性。這樣的推導(dǎo)過(guò)程，也是高中階段學(xué)生必須要掌握的能力。

在猜想階段中，月亮圍繞地球轉(zhuǎn)，地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，這樣的轉(zhuǎn)動(dòng)可以用引力定律來(lái)完美解釋。例如：月亮繞著地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，地球半徑是月球軌道半徑R的60倍，設(shè)地球的質(zhì)量為M，月球質(zhì)量為m，那么，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，回答三個(gè)問(wèn)題（1）月球做什么運(yùn)動(dòng)，符合什么規(guī)律？（2）物體在地球附近受到的地球吸引力的表達(dá)式是什么？（3）計(jì)算月球的加速度與地球表面加速度G的關(guān)系。學(xué)生在進(jìn)行謹(jǐn)慎的驗(yàn)證時(shí)，首先從教材中的圖片可以觀察到（1）月球做的是近似的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的軌跡符合圓周的特性，故可以用勻速圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)算其特性。（2）設(shè)物體質(zhì)量為m1，那么，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，可知其自身重力和地球?qū)ζ涞娜f(wàn)有引力相等，即：G=m1g=G 。

（3）對(duì)于月球而言，F(xiàn)月=G

=ma月

對(duì)于地球而言，F(xiàn)地=G =ma地

那么， ，其中，a地=g，既地球的重力加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于月球的重力加速度，那也就是為什么宇航員在月球表面看似“飄”在空中的原因。

在相應(yīng)的情境創(chuàng)設(shè)中，給學(xué)生開(kāi)啟定量計(jì)算的環(huán)境，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)實(shí)的推導(dǎo)，來(lái)檢驗(yàn)猜想的正確性，增強(qiáng)學(xué)生的過(guò)程推導(dǎo)能力。

三、實(shí)踐探索，估算比較

當(dāng)猜想得到證實(shí)以后，最重要的是將理論融入實(shí)踐，去驗(yàn)證定律的科學(xué)性。進(jìn)行實(shí)踐探索時(shí)，采用估算對(duì)比的方法，可以加大實(shí)例的說(shuō)服性，更加直接的證明定律。對(duì)于萬(wàn)有引力定律來(lái)說(shuō)，也是這樣的。

老師在課堂上，可以通過(guò)小實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)驗(yàn)證定律：抽兩名同學(xué)，首先兩人靠攏，然后離開(kāi)，讓同學(xué)感受兩人之間是否存在引力的作用。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，兩人并沒(méi)有感受到任何的感覺(jué)。那么，萬(wàn)有引力定律難道不適用了么？這時(shí)，假設(shè)兩名同學(xué)質(zhì)量均為50kg，之間的距離為1m，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，可得

F=G ≈1.7×10-7N

可知二者之間的萬(wàn)有引力特別小，所以二人沒(méi)有感受到任何感覺(jué)是非常正常的。

已知地球質(zhì)量與地球半徑（常量），那么，其中一位同學(xué)和地球之間的萬(wàn)有引力，可得

F=G ≈493N

已知g=9.8m/s2，那么其中一位同學(xué)的重力G=mg=490N，即G

學(xué)生課堂活動(dòng)的意義在于增加課堂趣味性的同時(shí)創(chuàng)設(shè)物理情景，在物理情景中學(xué)生進(jìn)行了估算和比較，更加加深了對(duì)定律的理解。

在大膽假設(shè)、定量計(jì)算、實(shí)踐探索三步后，“萬(wàn)有引力”這個(gè)神秘的宇宙之子通過(guò)老師和學(xué)生的共同努力，最終揭開(kāi)了他神秘的面紗。不論在地球上的物體，還是在外太空中的行星，都沒(méi)有逃過(guò)萬(wàn)有引力的“吸引”，而在物理的教學(xué)中，三步走的教學(xué)原則培養(yǎng)了學(xué)生的概括總結(jié)能力，同時(shí)也加強(qiáng)彼此之間的交流、評(píng)估和協(xié)作。

（作者單位：江蘇省栟茶高級(jí)中學(xué)）