高中物理教學中學生核心素養的培養
——2017年部級優課“萬有引力理論的成就”教學為例

呂江輝

(浙江省新昌中學,浙江 新昌 312500)

1 教學目標(基礎目標和發展目標)

(1) 了解萬有引力定律在天文學上的重要應用．

(2) 會用萬有引力定律計算天體的質量,了解“稱量地球質量”、“計算太陽質量”的基本思路,培養學生歸納總結建立模型的能力與方法．

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

2 教學過程及基于核心素養的設計評述

在上一節中,我們學習推導了萬有引力定律.萬有引力定律的發現,是17世紀自然科學最偉大的成果之一.它把地面上物體運動的規律和天體運動的規律統一了起來,對以后物理學和天文學的發展具有深遠的影響．

2.1 稱量地球質量

探究思考1:我國的航天事業處于世界領先地位,他的蓬勃發展和成功都是建立在萬有引力定律的基礎之上,發射火箭飛船,需要大量數據精準的計算,里面就要明確知道地球的質量,現在的數據當然已經很精確了,那我們是否可以根據已有的知識設計方案來稱量地球的質量呢?

學生活動1:學生分組活動,設計方案求地球的質量.

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

方案2:將天體的運動近似看成勻速圓周運動,其所需的向心力都來自于萬有引力,然后結合向心力公式,月球繞地球轉動,地球對月球的引力,讓其做圓周運動,故

得

方案3:……

基于核心素養的設計評述： 科學探究與交流,根據問題和已有的知識,尋找證據進行合理解釋;關注學生學習狀況,本節內容不難,在預習基礎上學生完全理解,不做假探究,開篇打好本節課的內容框架．

(教師)針對方案1:在牛頓發現萬有引力定律后,當時重力加速度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量,大家知道誰是第一個稱量出地球質量的人嗎?

(學生)卡文迪許,……

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

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,就是稱量天體質量的天平．為什么忽略地球自轉,地面上物體的重力近似等于地球對物體的引力?能否通過數據證明．

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.

學生活動2:學生分組活動,設計方案通過數據說明物體隨地球做圓周運動所需的向心力很小,重力近似等于地球對物體的引力．

相對于重力9.8m可以忽略.

基于核心素養的設計評述：科學思維與創新——構建模型,敢于科學推理和科學論證,自己通過數據鉆研說明,地球自轉所需的向心力很小,相對萬有引力而言可以忽略不計．培養學生敢于質疑敢于實踐的科學精神．

(學生1)與月球質量無關,求月球質量可以通過繞月球做圓周運動的衛星.

(學生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)如果測太陽的質量,又不能登陸太陽的時候,該怎么辦?

(學生3)那只能通過找環繞太陽運動的天體,比如水星、地球等都可以.

(教師)將天體的運動近似看成勻速圓周運動,其所需的向心力都來自于萬有引力,然后結合向心力公式,根據題中所給的出的條件,選擇適當的形式進行分析和求解．

基于核心素養的設計評述： 物理觀念及應用,讓學生重新建構知識,重演重要物理規律的發現過程,對學生深刻理解物理規律、領悟規律發現過程中所用巧妙的方法,體驗探索和發現的喜悅．通過這樣的教學設計,一方面引入環繞法求天體質量的思路和該方法的條件,同時區別環繞法和代換法的區別．

圖2

計算太陽質量,環繞天體不同,最后計算求得太陽質量知否會不同?

(學生)不同行星與太陽的距離r和繞太陽公轉的周期T都是各不相同的．但是不同行星的r、T計算出來的太陽質量必須是一樣的,由開普勒第三定律,得出結果:

那么不同行星的r、T計算出來的太陽質量是一樣的．

基于核心素養的設計評述：關注問題思辨和知識,要努力創設問題情境,鼓勵學生大膽質疑,積極參與課堂討論,體驗開普勒第三定律的意義．

2.2 計算天體密度

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

(學生)溫度、密度、大氣構成……

(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?

(學生)不能,R為星體半徑,r為軌道半徑,當環繞天體近地貼地飛行的時候,兩者才相同．

基于核心素養的設計評述：關注學習效果和問題的思辨,在質疑論證中落實知識,明確星球平均密度計算的物理意義,以及注意軌道半徑和星球半徑的區別．

2.3 發現未知天體

(教師)引導學生深入探究:應用萬有引力定律除可估算天體質量外,還可以在天文學上有何應用?人們是怎樣應用萬有引力定律來發現未知天體的?

學生活動1:討論并發表見解．

人們在長期的觀察中發現天王星的實際運動軌道與應用萬有引力定律計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,然后應用萬有引力定律,結合對天王星的觀測資料,便計算出了另一顆行星的軌道,進而在計算的位置觀察新的行星．

學生活動2:天文望遠鏡介紹,以及通過天文望遠鏡觀測月球表面．

基于核心素養的設計評述：關于實踐體驗和學生學習趣樂,通過發現未知星體內容的教學,培養學生的科學態度和責任,偉人的足跡,會激勵、影響學生的人生,逐步形成科學態度、科學精神;通過天文望遠鏡的實踐體驗,讓學生體會科學奧秘的探究就從身邊點滴做起．

2.4 承上啟下,深化萬有引力定律在航天方面的應用

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

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

(視頻播放)

基于核心素養的設計評述：關注實踐體驗,通過物理學中與學生生活聯系密切的事例,使他們認識到生活中處處有物理現象,物理與生活息息相關,增加學生對物理學科的親切感,激發他們學習物理的興趣,同時為下一節課做好引導．