高中物理教學(xué)中學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)
——2017年部級優(yōu)課“萬有引力理論的成就”教學(xué)為例

呂江輝

(浙江省新昌中學(xué),浙江 新昌 312500)

1 教學(xué)目標(biāo)(基礎(chǔ)目標(biāo)和發(fā)展目標(biāo))

(1) 了解萬有引力定律在天文學(xué)上的重要應(yīng)用．

(2) 會用萬有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)量,了解“稱量地球質(zhì)量”、“計(jì)算太陽質(zhì)量”的基本思路,培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)建立模型的能力與方法．

(3) 體會萬有引力定律的科學(xué)成就,讓學(xué)生懂得理論來源于實(shí)踐,反過來又可以指導(dǎo)實(shí)踐的辯證唯物主義觀點(diǎn)．

2 教學(xué)過程及基于核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)評述

在上一節(jié)中,我們學(xué)習(xí)推導(dǎo)了萬有引力定律.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn),是17世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的成果之一.它把地面上物體運(yùn)動的規(guī)律和天體運(yùn)動的規(guī)律統(tǒng)一了起來,對以后物理學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響．

2.1 稱量地球質(zhì)量

探究思考1:我國的航天事業(yè)處于世界領(lǐng)先地位,他的蓬勃發(fā)展和成功都是建立在萬有引力定律的基礎(chǔ)之上,發(fā)射火箭飛船,需要大量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的計(jì)算,里面就要明確知道地球的質(zhì)量,現(xiàn)在的數(shù)據(jù)當(dāng)然已經(jīng)很精確了,那我們是否可以根據(jù)已有的知識設(shè)計(jì)方案來稱量地球的質(zhì)量呢?

學(xué)生活動1:學(xué)生分組活動,設(shè)計(jì)方案求地球的質(zhì)量.

(學(xué)生)方案1:通常情況下,忽略地球自轉(zhuǎn)的時候,我們可以有萬有引力等于重力．

方案2:將天體的運(yùn)動近似看成勻速圓周運(yùn)動,其所需的向心力都來自于萬有引力,然后結(jié)合向心力公式,月球繞地球轉(zhuǎn)動,地球?qū)υ虑虻囊?讓其做圓周運(yùn)動,故

得

方案3:……

基于核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)評述： 科學(xué)探究與交流,根據(jù)問題和已有的知識,尋找證據(jù)進(jìn)行合理解釋;關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)狀況,本節(jié)內(nèi)容不難,在預(yù)習(xí)基礎(chǔ)上學(xué)生完全理解,不做假探究,開篇打好本節(jié)課的內(nèi)容框架．

(教師)針對方案1:在牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律后,當(dāng)時重力加速度g,地球半徑R均已知,誰能測量出引力常量G,誰就能測出地球的質(zhì)量,大家知道誰是第一個稱量出地球質(zhì)量的人嗎?

(學(xué)生)卡文迪許,……

(教師)方案1稱為代換法,方案2稱為環(huán)繞法,用圓周運(yùn)動向心力方法中,里面分別用線速度、角速度、周期來求地球質(zhì)量,哪個在實(shí)際應(yīng)用中更方便?

圖1

探究思考2:卡文迪許用他自己的扭秤,“稱量了地球的重量”,萬有引力定律,就是稱量天體質(zhì)量的天平．為什么忽略地球自轉(zhuǎn),地面上物體的重力近似等于地球?qū)ξ矬w的引力?能否通過數(shù)據(jù)證明．

如圖1所示，由受力分析可知,物體受到地球的萬有引力,一部分充當(dāng)物體所需的向心力,另外一部分即為重力,即萬有引力可分解為:重力、向心力,要說明問題,可比較所需的最大向心力和重力,已知地球半徑為6400km,重力加速度可取9.8m/s2.

學(xué)生活動2:學(xué)生分組活動,設(shè)計(jì)方案通過數(shù)據(jù)說明物體隨地球做圓周運(yùn)動所需的向心力很小,重力近似等于地球?qū)ξ矬w的引力．

相對于重力9.8m可以忽略.

基于核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)評述：科學(xué)思維與創(chuàng)新——構(gòu)建模型,敢于科學(xué)推理和科學(xué)論證,自己通過數(shù)據(jù)鉆研說明,地球自轉(zhuǎn)所需的向心力很小,相對萬有引力而言可以忽略不計(jì)．培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑敢于實(shí)踐的科學(xué)精神．

(學(xué)生1)與月球質(zhì)量無關(guān),求月球質(zhì)量可以通過繞月球做圓周運(yùn)動的衛(wèi)星.

(學(xué)生2)可以找月球表面的物體,前提測出月球表面的重力加速度,可以通過釋放一個重物來測定重力加速度

……

(教師)如果測太陽的質(zhì)量,又不能登陸太陽的時候,該怎么辦?

(學(xué)生3)那只能通過找環(huán)繞太陽運(yùn)動的天體,比如水星、地球等都可以.

(教師)將天體的運(yùn)動近似看成勻速圓周運(yùn)動,其所需的向心力都來自于萬有引力,然后結(jié)合向心力公式,根據(jù)題中所給的出的條件,選擇適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行分析和求解．

基于核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)評述： 物理觀念及應(yīng)用,讓學(xué)生重新建構(gòu)知識,重演重要物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程,對學(xué)生深刻理解物理規(guī)律、領(lǐng)悟規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程中所用巧妙的方法,體驗(yàn)探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅．通過這樣的教學(xué)設(shè)計(jì),一方面引入環(huán)繞法求天體質(zhì)量的思路和該方法的條件,同時區(qū)別環(huán)繞法和代換法的區(qū)別．

圖2

計(jì)算太陽質(zhì)量,環(huán)繞天體不同,最后計(jì)算求得太陽質(zhì)量知否會不同?

(學(xué)生)不同行星與太陽的距離r和繞太陽公轉(zhuǎn)的周期T都是各不相同的．但是不同行星的r、T計(jì)算出來的太陽質(zhì)量必須是一樣的,由開普勒第三定律,得出結(jié)果:

那么不同行星的r、T計(jì)算出來的太陽質(zhì)量是一樣的．

基于核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)評述：關(guān)注問題思辨和知識,要努力創(chuàng)設(shè)問題情境,鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑,積極參與課堂討論,體驗(yàn)開普勒第三定律的意義．

2.2 計(jì)算天體密度

(教師)對于未知天體,我們知道質(zhì)量后,我們更想了解該星體的物質(zhì)構(gòu)成、是否適宜生命出現(xiàn)等,這個時候我們需要測量哪些物理量?

(學(xué)生)溫度、密度、大氣構(gòu)成……

(教師)未知星體平均密度如何表示呢?

(教師)這里的R,r能約嗎?如果不能那什么情況可以約?

(學(xué)生)不能,R為星體半徑,r為軌道半徑,當(dāng)環(huán)繞天體近地貼地飛行的時候,兩者才相同．

基于核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)評述：關(guān)注學(xué)習(xí)效果和問題的思辨,在質(zhì)疑論證中落實(shí)知識,明確星球平均密度計(jì)算的物理意義,以及注意軌道半徑和星球半徑的區(qū)別．

2.3 發(fā)現(xiàn)未知天體

(教師)引導(dǎo)學(xué)生深入探究:應(yīng)用萬有引力定律除可估算天體質(zhì)量外,還可以在天文學(xué)上有何應(yīng)用?人們是怎樣應(yīng)用萬有引力定律來發(fā)現(xiàn)未知天體的?

學(xué)生活動1:討論并發(fā)表見解．

人們在長期的觀察中發(fā)現(xiàn)天王星的實(shí)際運(yùn)動軌道與應(yīng)用萬有引力定律計(jì)算出的軌道總存在一定的偏差,所以懷疑在天王星周圍還可能存在有行星,然后應(yīng)用萬有引力定律,結(jié)合對天王星的觀測資料,便計(jì)算出了另一顆行星的軌道,進(jìn)而在計(jì)算的位置觀察新的行星．

學(xué)生活動2:天文望遠(yuǎn)鏡介紹,以及通過天文望遠(yuǎn)鏡觀測月球表面．

基于核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)評述：關(guān)于實(shí)踐體驗(yàn)和學(xué)生學(xué)習(xí)趣樂,通過發(fā)現(xiàn)未知星體內(nèi)容的教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任,偉人的足跡,會激勵、影響學(xué)生的人生,逐步形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神;通過天文望遠(yuǎn)鏡的實(shí)踐體驗(yàn),讓學(xué)生體會科學(xué)奧秘的探究就從身邊點(diǎn)滴做起．

2.4 承上啟下,深化萬有引力定律在航天方面的應(yīng)用

2013年6月11日神舟十號飛船發(fā)射升空,這是中國的第十艘太空飛船,也是中國第五艘載人飛船,與天宮一號進(jìn)行交會對接成功,標(biāo)志著中國空間飛行器交會對接技術(shù)的成熟．

(模型展示)這是神舟十號飛船搭載長征二號F改進(jìn)型運(yùn)載火箭的模型,從上到下分別為逃逸塔,飛船主體(推進(jìn)艙、返回艙、軌道艙及附加部分構(gòu)成),下面我們一起跟隨視頻來回顧下整個發(fā)射過程．

(視頻播放)

基于核心素養(yǎng)的設(shè)計(jì)評述：關(guān)注實(shí)踐體驗(yàn),通過物理學(xué)中與學(xué)生生活聯(lián)系密切的事例,使他們認(rèn)識到生活中處處有物理現(xiàn)象,物理與生活息息相關(guān),增加學(xué)生對物理學(xué)科的親切感,激發(fā)他們學(xué)習(xí)物理的興趣,同時為下一節(jié)課做好引導(dǎo)．