從"重力加速度"的學(xué)習(xí)談物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

張國 江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué) 江蘇蘇州 215000

一、"重力加速度g"第一次在初中教材中是作為一個(gè)求重力的常量出現(xiàn).G=mg,目的是為了辨析重力、質(zhì)量這兩個(gè)概念的含義.

初中學(xué)生剛接觸物理學(xué)科,還不能從理論上把握各個(gè)物理量的含義.在學(xué)習(xí)"重力"這個(gè)概念以前,已經(jīng)學(xué)習(xí)了"質(zhì)量",教材對"質(zhì)量"的定義是:物體所含物質(zhì)的多少叫做質(zhì)量,如何來理解這個(gè)定義中的"物質(zhì)",就是一個(gè)難點(diǎn).學(xué)生通常會(huì)借助生活經(jīng)驗(yàn)來體會(huì),日常生活中的"體重"、"重量"的說法,對他學(xué)習(xí)"重力",尤其是理解"質(zhì)量"和"重力"的含義,會(huì)形成"負(fù)遷移".此時(shí)的"G=mg"中g(shù)的學(xué)習(xí),是為了讓學(xué)生通過"質(zhì)量"和"重力"的量化關(guān)系,清楚地知道"質(zhì)量"和"重力"是兩個(gè)完全不相同的概念.這個(gè)階段要強(qiáng)調(diào)g的數(shù)值和單位,使學(xué)生理解物理表達(dá)式中的"=",不僅指數(shù)值相等,單位也必須相同.物理是對生活實(shí)際的反應(yīng),而不僅僅是數(shù)學(xué)運(yùn)算.對于g的物理意義、方向以及大小隨緯度的變化等相關(guān)知識(shí),由于超出了學(xué)生的理解程度,初中階段都不需要涉及.

二、通過實(shí)驗(yàn)測出自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度,證明物體下落的快慢與輕重(質(zhì)量)無關(guān):

高中物理(必修)以運(yùn)動(dòng)為主線,在學(xué)生已經(jīng)知道"勻變速直線運(yùn)動(dòng)"是"加速度"不變的直線運(yùn)動(dòng),勻變速運(yùn)動(dòng)的位移(x)、時(shí)間(t)、速度(v)等運(yùn)動(dòng)學(xué)量之間的關(guān)系都清楚之后,"自由落體運(yùn)動(dòng)"作為一個(gè)簡單(特殊)的直線運(yùn)動(dòng)來研究.通過實(shí)驗(yàn),可以測得該運(yùn)動(dòng)的加速度數(shù)值為9.8m/s2.實(shí)驗(yàn)是可以在不同地方反復(fù)做的,學(xué)生動(dòng)手做過以后,就可以比較輕松接受"地球上不同的地方,g的大小是不同的"這個(gè)結(jié)論,教材上的列表數(shù)據(jù)表明地球上不同緯度處的g是不同的.這時(shí)思維活躍的學(xué)生就可以提出兩個(gè)問題:為什么g的數(shù)值和重力常數(shù)的數(shù)值是一樣的;g的數(shù)值會(huì)隨著緯度的增加而增大.進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考"自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度、物體的重力、地球的自轉(zhuǎn)"一定有關(guān)聯(lián),這就為后面萬有引力的學(xué)習(xí)埋下了伏筆.

三、利用萬有引力定律推導(dǎo)星球表面上g的數(shù)值,理解g的數(shù)值隨緯度的增加而變大的原因

根據(jù)牛頓的萬有引力定律:放在地球表面上的物體受到地球的引力為F引=GMm/R2,物體隨地球自轉(zhuǎn)需要的向心力為mω2r.把萬有引力分解,一個(gè)分力提供物體隨地球自轉(zhuǎn)需要的向心力,另一個(gè)分力使物體壓緊地面,這個(gè)分力就是我們所說的"重力".在地球上不同緯度的地球表面上的物體,隨地球自轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度是相同的,半徑

是不同的.隨著緯度的增加F向不斷減小,重力mg相應(yīng)增加.這就解釋了g的數(shù)值隨緯度的增加而變大的原因.

取地球赤道上的物體m(如圖),有F萬=mg+F向,即GMm/R2=mg+m(2π/T)2R,地球的自轉(zhuǎn)周期為T=24h,地球半徑為R=6400km,代入得:(2π/T)2R=3.4X10-3g ,也就是向心力mω2r占萬有引力的千分之三多,可以忽略地球的自轉(zhuǎn)效果,有GM/R2=g.即星球表面的g是由星球的質(zhì)量M和半徑R決定的,推廣得到:由于不同星球(如月球、火星)的質(zhì)量M和半徑R不同,星球表面的g就不相同.如:月球的質(zhì)量是7.35X1022kg,半徑為1738km,則有g(shù)月=GM/R2=1.62m/s2.我們在電視畫面上看到,宇航員雖然身穿厚重的宇航服,仍然較為靈活,是因?yàn)橛詈椒谠虑蛏系闹亓Υ蟾攀堑厍蛏系牧种?

物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度,叫做第一宇宙速度,由mg= (mV2)/R,得第一宇宙速度V=,因?yàn)椴煌乔虻陌霃胶捅砻娴膅不同,其第一宇宙速度也不相同.也就是說,在火星表面發(fā)射火星衛(wèi)星就比地球上發(fā)射地球衛(wèi)星容易.經(jīng)過這樣的分析和推理過程,學(xué)生對宇宙中星體的運(yùn)動(dòng)、黑洞等相關(guān)知識(shí)就有了較為完整的認(rèn)識(shí).

四、伽利略對自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過程,體現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生"科學(xué)思維"能力的重要性.

"科學(xué)思維"是用物理的視角來認(rèn)識(shí)客觀事物的本質(zhì)屬性和內(nèi)在規(guī)律,是學(xué)生解決實(shí)際問題的關(guān)鍵能力.在"伽利略對自由落體運(yùn)動(dòng)的研究"過程中,由于伽利略時(shí)代的計(jì)時(shí)工具還不能測量自由落體運(yùn)動(dòng)所用的時(shí)間.他采用讓銅球沿阻力很小的斜面滾下,銅球沿斜面運(yùn)動(dòng)的加速度很小,運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長,這樣就解決了時(shí)間測量的問題.現(xiàn)在我們用牛頓第二定律分析,物體沿光滑斜面下滑的加速度a=gsinθ,隨著θ增大到90°,物體的加速度也逐漸變?yōu)閍=g.用銅球從不同傾角的斜面上運(yùn)動(dòng)的特征來推得自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,這種以邏輯推理和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合來解決問題的方法,正是物理學(xué)科要培養(yǎng)的核心素養(yǎng).

最新版的《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出:高中物理是普通高中自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科,目的是為學(xué)生的終身發(fā)展奠基,促進(jìn)人類科學(xué)事業(yè)的傳承和社會(huì)的發(fā)展.高中學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)貧乏,物理知識(shí)不成體系,邏輯思維能力薄弱,在實(shí)際教學(xué)過程中,我們要注意從學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)入手,結(jié)合知識(shí)的延續(xù)性,關(guān)注學(xué)生能力的發(fā)展性,引領(lǐng)學(xué)生深入探究過程,體會(huì)科學(xué)研究方法、養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)慣.