立足實(shí)際問(wèn)題 破解情境難題
——以高三“萬(wàn)有引力與航天”教學(xué)為例

楊 杰

(江蘇省新海高級(jí)中學(xué) 江蘇 連云港 222008)

10余年來(lái)的課程改革，為課堂教學(xué)注入了活力，考試招生體制也發(fā)生了前所未有的變化.江蘇自2008年實(shí)施新高考方案以來(lái)，高考物理命題更加注重試題情境的創(chuàng)設(shè)，近10年有波動(dòng)上升的趨勢(shì)，近4年穩(wěn)定在80%上下.以2019年高考江蘇物理試題為例，與情境相關(guān)的試題分布如表1所示，情境化試題占比約為76%.

表1 2019年高考江蘇物理與情境相關(guān)的試題分布

這些源于生活的情境化試題，注重考查學(xué)生自主分析解決問(wèn)題的能力，對(duì)考生提出了更高的要求.如果平時(shí)不注重聯(lián)系實(shí)際，只關(guān)注純粹的解題訓(xùn)練，很多問(wèn)題考生往往無(wú)從下手.

因此，破解情境難題，課堂教學(xué)改革勢(shì)在必行.尤其是核心素養(yǎng)統(tǒng)領(lǐng)下的高三教學(xué)，不能盲目追求所謂“務(wù)實(shí)高效”，一味迷信題海戰(zhàn)術(shù)，而應(yīng)立足實(shí)際問(wèn)題，從學(xué)生親身經(jīng)歷的實(shí)際問(wèn)題入手，從推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的科技前沿入手，巧妙創(chuàng)設(shè)有利于啟發(fā)探究的教學(xué)情境，深入挖掘蘊(yùn)含于情境之中的知識(shí)內(nèi)涵，精心提煉有助于思維提升的探究問(wèn)題，將原本看似孤立零散的知識(shí)、方法進(jìn)行深度加工，還原規(guī)律的本質(zhì)，進(jìn)而形成全面系統(tǒng)的物理觀念，培養(yǎng)知行合一的科學(xué)思維和探究精神，提升學(xué)生的核心素養(yǎng).

下面，以高三“萬(wàn)有引力與航天”教學(xué)為例，探討情境難題的破解之道，以供參考.

1 情境引入

教師播放視頻“探月工程”.

師：探月工程，開(kāi)啟了我國(guó)深空探測(cè)的新里程.尤其是2018年12月8日成功發(fā)射的嫦娥四號(hào)，作為世界首個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的航天器，實(shí)現(xiàn)了中華民族千年的奔月夢(mèng)想.接下來(lái)就讓我們把目光投向嫦娥四號(hào)這段不平凡的探月之旅.

師：嫦娥四號(hào)的探月之旅可能經(jīng)歷了哪些過(guò)程呢？

生：大膽猜想，交流討論.

師：播放視頻“嫦娥四號(hào)”，展示圖片，嫦娥四號(hào)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖、奔月過(guò)程示意圖.

過(guò)渡：由此可見(jiàn)，探月之旅大致可以分為發(fā)射過(guò)程、繞月運(yùn)行、變軌過(guò)程3個(gè)階段.請(qǐng)結(jié)合萬(wàn)有引力定律與航天的相關(guān)知識(shí)，探究各個(gè)過(guò)程中蘊(yùn)含的物理學(xué)原理.

2 問(wèn)題探究

2.1 發(fā)射過(guò)程(宇宙速度)

問(wèn)題探究1：嫦娥四號(hào)的發(fā)射速度有什么要求？

問(wèn)題探究2：發(fā)射嫦娥四號(hào)為什么采用三級(jí)火箭，而不是更多級(jí)數(shù)的火箭？

設(shè)計(jì)意圖:

利用問(wèn)題探究1，讓學(xué)生直面實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)自主探究、合作交流，將第一宇宙速度的推導(dǎo)、3個(gè)宇宙速度的區(qū)別、在不同發(fā)射速度下的軌跡等基礎(chǔ)知識(shí)，梳理整合，融會(huì)貫通.

尤其注重第一宇宙速度的推導(dǎo)

由于探究問(wèn)題緊貼實(shí)際、合作交流氛圍寬松，課堂生成層出不窮.

課堂生成1：火箭發(fā)射總要上升一定的高度，最起碼1 km，2 km,為什么計(jì)算時(shí)仍用地球半徑R呢？

問(wèn)題探究2將3-5動(dòng)量守恒中的反沖問(wèn)題與實(shí)際衛(wèi)星的發(fā)射聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)，介紹我國(guó)已跨入世界先進(jìn)行列的火箭技術(shù)和長(zhǎng)征系列火箭(金牌火箭)，既可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)融合，形成系統(tǒng)全面的物理觀念，又能激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，喚醒學(xué)生投身科技興國(guó)的愛(ài)國(guó)情懷，培養(yǎng)正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

2.2 繞月運(yùn)行(穩(wěn)定運(yùn)行的圓軌道)

問(wèn)題探究1：萬(wàn)有引力的作用？月球表面重力與萬(wàn)有引力的關(guān)系？嫦娥四號(hào)處于什么狀態(tài)？

問(wèn)題探究2：繞月運(yùn)行與繞地運(yùn)行的區(qū)別?月球表面與地球表面的重力加速度的關(guān)系？

問(wèn)題探究3：猜想月球的近地衛(wèi)星和同步衛(wèi)星的特點(diǎn).聯(lián)系對(duì)比地球的近地衛(wèi)星和同步衛(wèi)星的特點(diǎn)(對(duì)比r,v,ω,T,a,軌道).

設(shè)計(jì)意圖:

問(wèn)題探究1中的3個(gè)小問(wèn)題系統(tǒng)梳理了萬(wàn)有引力提供向心力的基本原理，其實(shí)都是在強(qiáng)化一個(gè)考點(diǎn)：萬(wàn)有引力提供向心力(F=ma)，從而讓學(xué)生獲得整體的認(rèn)識(shí).

(1)萬(wàn)有引力提供向心力

(2)地球表面：忽略自轉(zhuǎn)，萬(wàn)有引力和重力是同一個(gè)力(如同一個(gè)人的大名與小名).

(3)由于萬(wàn)有引力提供向心力，衛(wèi)星處于完全失重狀態(tài).嫦娥四號(hào)中的物體與其接觸面間無(wú)彈力，凡與重力有關(guān)的儀器，在嫦娥四號(hào)中均不能使用.

課堂生成2：r越大，v越小，與宇宙速度(r越大，v越大)相矛盾，如何解釋?zhuān)?/p>

問(wèn)題探究2是對(duì)問(wèn)題探究1的進(jìn)一步深化拓展，起到了學(xué)以致用、強(qiáng)化鞏固的效果.

問(wèn)題探究3通過(guò)近地衛(wèi)星與同步衛(wèi)星的對(duì)比，具體分析了r,v,ω,T,a,軌道的區(qū)別與聯(lián)系(萬(wàn)有引力提供向心力，軌道圓心必須與地心重合)，將抽象的知識(shí)原理具體化，進(jìn)而不失時(shí)機(jī)地提出問(wèn)題，猜想月球的近地衛(wèi)星和同步衛(wèi)星的特點(diǎn)，即加深了學(xué)生的理解，又提升了學(xué)生的科學(xué)思維.

2.3 變軌過(guò)程(落月過(guò)程)

問(wèn)題探究1：地球人造衛(wèi)星變軌示意圖如圖1所示，從低軌道1上升到高軌道2，衛(wèi)星在Q點(diǎn)應(yīng)加速還是減速？從橢圓軌道2變?yōu)閳A軌道3，在P點(diǎn)應(yīng)加速還是減速？

圖1 地球人造衛(wèi)星變軌示意圖

問(wèn)題探究2：比較軌道1上Q點(diǎn)、軌道2上Q點(diǎn)、軌道2上P點(diǎn)、軌道3上P點(diǎn)4個(gè)位置處速度、加速度的大小，各軌道的機(jī)械能是否守恒？

問(wèn)題探究3：要使嫦娥四號(hào)落到月球表面，應(yīng)該如何變軌？返回地球，又需經(jīng)歷怎樣的過(guò)程？

設(shè)計(jì)意圖：

問(wèn)題探究1主要是幫助學(xué)生梳理變軌過(guò)程的重點(diǎn)環(huán)節(jié)及原理.

r1,r3分別為圓軌道1、軌道3的半徑，v1和v3分別為對(duì)應(yīng)的速度大小.

問(wèn)題探究2利用問(wèn)題探究1討論的原理，明確軌道特殊點(diǎn)的特點(diǎn)，v2Q>v1>v3>v2P，a1=a2Q>a3=a2P.且各軌道機(jī)械能守恒，但不同軌道機(jī)械能不同，每次加速機(jī)械能增加，E3>E2>E1.將萬(wàn)有引力相關(guān)知識(shí)原理與功能關(guān)系結(jié)合起來(lái)，前后聯(lián)系，打通了知識(shí)壁壘，起到了觸類(lèi)旁通的效果.

課堂生成3：軌道不斷升高，需要不斷加速，為什么速度v反而減小呢.

探究問(wèn)題3又將所學(xué)知識(shí)原理用到解決嫦娥四號(hào)落月及返回的實(shí)際問(wèn)題中，既鞏固了所學(xué)內(nèi)容，又解決了實(shí)際問(wèn)題，起到了畫(huà)龍點(diǎn)睛的效果.

3 鞏固練習(xí)

【例題】1970年成功發(fā)射的“東方紅一號(hào)”是我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星，該衛(wèi)星至今仍沿橢圓軌道繞地球運(yùn)動(dòng)．如圖2所示，設(shè)衛(wèi)星在近地點(diǎn)、遠(yuǎn)地點(diǎn)的速度分別為v1和v2，近地點(diǎn)到地心的距離為r，地球質(zhì)量為M，引力常量為G．則

圖2 例題題圖

從近地點(diǎn)到遠(yuǎn)地點(diǎn)萬(wàn)有引力做負(fù)功，動(dòng)能減小，也能確定v1>v2，故選項(xiàng)B正確.

說(shuō)明:這是一道典型的情境化高考試題，雖然看上去似乎難度不大，但考查方式明顯不同于傳統(tǒng)試題.既要求學(xué)生具備良好的處理情境化問(wèn)題的能力，又要求學(xué)生全面掌握萬(wàn)有引力與航天的基本知識(shí)方法.作為鞏固訓(xùn)練題，能夠起到很好的查漏補(bǔ)缺、鞏固提高的效果.

4 結(jié)束語(yǔ)

高三教學(xué)中普遍存在著偏重碎片化、被動(dòng)式的知識(shí)傳授，過(guò)分強(qiáng)調(diào)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)，一味追求特殊規(guī)律的總結(jié)，無(wú)法滿足學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的需要，與立德樹(shù)人的育人目標(biāo)存在著較大的差距.要改變這一現(xiàn)狀，破解情境難題，就需要立足實(shí)際問(wèn)題，積極營(yíng)造與現(xiàn)實(shí)生活緊密關(guān)聯(lián)的問(wèn)題情境，優(yōu)化課堂內(nèi)容，以學(xué)科大觀念統(tǒng)領(lǐng)和重構(gòu)內(nèi)容，將大量碎片化的知識(shí)、方法進(jìn)行深度加工，利用高度融合的探究問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生分析新舊知識(shí)間的相似、相異之處，深刻理解知識(shí)內(nèi)涵，準(zhǔn)確運(yùn)用科學(xué)方法，助力學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建和思維能力的提升，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新精神，提升學(xué)生的核心素養(yǎng).