人教版《第七章 萬(wàn)有引力與宇宙航行》編寫說(shuō)明

摘?要：新人教版第七章的編寫說(shuō)明，以使教師了解教材結(jié)構(gòu)及落實(shí)核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：新教材;編寫說(shuō)明;核心素養(yǎng)落實(shí)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）21-0002?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：梁旭（1962-），男，浙江上虞人，本科，中學(xué)特級(jí)教師，浙江省高中物理教研員，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)目標(biāo)、方法和策略.

1?全章概述

本章是必修課程的第七章，既描述了人類對(duì)天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究過程，又展現(xiàn)了經(jīng)典力學(xué)的巨大價(jià)值，還介紹了人類走向太空的努力.牛頓運(yùn)用其運(yùn)動(dòng)定律研究天體運(yùn)動(dòng)并結(jié)合開普勒定律建立了偉大的萬(wàn)有引力定律，對(duì)萬(wàn)有引力定律的探索和求證過程展現(xiàn)了科學(xué)家們富有創(chuàng)造而又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和科學(xué)態(tài)度.

本章共5節(jié)課文，分為三個(gè)主題，分別是規(guī)律的探究、規(guī)律的運(yùn)用和規(guī)律的發(fā)展.第一個(gè)主題介紹人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)過程和牛頓建立萬(wàn)有引力定律的過程.教材在介紹托勒密的地心說(shuō)、哥白尼的日心說(shuō)、第谷的觀測(cè)和開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律、萬(wàn)有引力定律的同時(shí)，形象、生動(dòng)地展現(xiàn)了科學(xué)家們實(shí)事求是、堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神.第二個(gè)主題展示了應(yīng)用萬(wàn)有引力定律所取得的巨大成就.如“稱量地球的質(zhì)量”“未知天體的發(fā)現(xiàn)”和“宇宙航行”問題.新教材增加了哈雷慧星及潮汐、重力探礦等，使學(xué)生對(duì)萬(wàn)有引力定律的重要意義和作用有更全面的了解.在載人航天與太空探索領(lǐng)域，中國(guó)近期發(fā)展很快，新教材豐富了中國(guó)在這一領(lǐng)域的進(jìn)步與發(fā)展.第三個(gè)主題指出萬(wàn)有引力定律與任何其它理論一樣，有其局限性.“相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性”這節(jié)的目的是讓學(xué)生知道牛頓力學(xué)只適用于低速、宏觀的情況，體會(huì)人類對(duì)自然界的探索是不斷深入的.本次教材的修訂還力求體現(xiàn)物理學(xué)科的核心素養(yǎng).

1.1?物理觀念

新教材在“行星的運(yùn)動(dòng)”這部分內(nèi)容敘述時(shí)，既有從運(yùn)動(dòng)視角的探究——開普勒三個(gè)定律，又有從力的視角的探究——對(duì)行星運(yùn)動(dòng)原因的探究，還明確指出“下面我們根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律及開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律來(lái)討論太陽(yáng)與行星間的引力”強(qiáng)化了運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念.

1.2?科學(xué)思維

“模型建構(gòu)”是科學(xué)思維的重要內(nèi)容.如何建立模型是學(xué)生普遍感到困難的問題，新教材力求在問題解決過程中，展示模型建立的思維過程.

例如，關(guān)于“稱量”地球的質(zhì)量，新教材指出：“稱量”地球質(zhì)量時(shí)，我們應(yīng)選擇哪個(gè)物體作為研究對(duì)象？運(yùn)用哪些物理規(guī)律？需要忽略的次要因素是什么？對(duì)這些問題的思考和討論其實(shí)就是建模過程.還有在計(jì)算天體質(zhì)量時(shí)，新教材明確提出：能用“稱量”地球質(zhì)量的方法“稱量”太陽(yáng)嗎？怎樣才能得到太陽(yáng)的質(zhì)量？將思考的方向直接指向物理模型的建立.又例如，關(guān)于宇宙速度的求解，新教材將其表述為：“我們可以從運(yùn)動(dòng)和受力分析入手，用萬(wàn)有引力定律和牛頓第二定律進(jìn)行求解.”啟發(fā)學(xué)生先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和受力分析.在學(xué)生分析之后，指出“物體在地球附近繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，太陽(yáng)的作用可以忽略”，對(duì)忽略次要因素作了示范.

1.3?科學(xué)探究

開普勒為什么會(huì)將行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的觀念修改成為做橢圓運(yùn)動(dòng)？教材在“科學(xué)漫步”中介紹：在開普勒對(duì)火星軌道的研究中，70余次嘗試所得的結(jié)果都與第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)有至少8′的角度偏差.是第谷測(cè)量錯(cuò)了嗎？開普勒對(duì)第谷數(shù)據(jù)的精確性深信不疑.他想，這不容忽視的 8′也許是因行星的運(yùn)動(dòng)并非勻速圓周運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致，體現(xiàn)了“證據(jù)、解釋”這一科學(xué)探究素養(yǎng).

又例如，在“發(fā)現(xiàn)未知天體”中，新教材在敘述根據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算出來(lái)的軌道與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果總有一些偏差后寫道“是以前的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確？是萬(wàn)有引力定律的準(zhǔn)確性有問題？是天王星軌道外面還有一顆未發(fā)現(xiàn)的行星？……”體現(xiàn)了“問題”這一科學(xué)探究素養(yǎng).

1.4?科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

新教材在“人造地球衛(wèi)星”中新增：1970 年 4 月 24 日，我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅 1 號(hào)” 發(fā)射成功，開創(chuàng)了中國(guó)航天史的新紀(jì)元.為我國(guó)航天事業(yè) 作出特殊貢獻(xiàn)的科學(xué)家錢學(xué)森被譽(yù)為“中國(guó)航天之父”;在“載人航天與太空探索”中新增：除了載人航天工程，我國(guó)還在許多方面進(jìn)行著太空探索.2013 年 6 月，神舟十號(hào)分別完成與天宮一號(hào)空間站的手動(dòng)和自動(dòng)交會(huì)對(duì)接;2016 年 10 月 19 日，神舟十一號(hào)完成與天宮二號(hào)空間站的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接.2017 年4 月 20 日，我國(guó)又發(fā)射了貨運(yùn)飛船天舟一號(hào)，入軌后與天宮二號(hào)空間站進(jìn)行自動(dòng)交會(huì)對(duì)接、自主快速交會(huì)對(duì)接等 3 次交會(huì)對(duì)接及多項(xiàng)實(shí)驗(yàn).在科學(xué)漫步“宇宙的起源與演化”中提出：宇宙有沒有邊界？有沒有起始和終結(jié)？地外文明在哪里？……愛因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過：“一個(gè)人最完美和最強(qiáng)烈的情感來(lái)自面對(duì)不解之謎.”你想加入探究宇宙之謎的行列嗎？這些內(nèi)容有助于增強(qiáng)學(xué)生的愛國(guó)情感，落實(shí)“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”這一素養(yǎng).

課時(shí)安排建議

第1節(jié)?行星的運(yùn)動(dòng)?1課時(shí)

第2節(jié)?萬(wàn)有引力定律?1課時(shí)

第3節(jié)?萬(wàn)有引力理論的成就?1課時(shí)

第 4節(jié)?宇宙航行?1課時(shí)

第 5節(jié)?相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性1課時(shí)

2?具體說(shuō)明

2.1?第1節(jié)“行星的運(yùn)動(dòng)”是萬(wàn)有引力定律學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)

本節(jié)內(nèi)容先從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度描述天體的運(yùn)動(dòng)，先介紹托勒密的地心宇宙學(xué)說(shuō)，再介紹哥白尼的太陽(yáng)中心學(xué)說(shuō)，然后提出開普勒的行星運(yùn)動(dòng)定律.這一順序比較符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律.本節(jié)內(nèi)容包含十分豐富的科學(xué)史料，有助于學(xué)生感受科學(xué)家求真、求簡(jiǎn)的科學(xué)思想方法.

2.2?第2節(jié)“萬(wàn)有引力定律”是本章的重要內(nèi)容，是極好的科學(xué)探究素材

本教材將原教材中的“太陽(yáng)與行星間的引力”與“萬(wàn)有引力定律”這兩節(jié)合為一節(jié)，從問題的提出、科學(xué)家們的思考、依據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律和開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行的推導(dǎo)、進(jìn)一步的假設(shè)與推理、結(jié)論的得出、檢驗(yàn)論證等，成為一個(gè)比較完整的探究過程.原教材在“太陽(yáng)與行星間的引力”這節(jié)內(nèi)容的敘述時(shí)，先是敘述了萬(wàn)有引力大?。ü剑┑耐茖?dǎo)過程，后補(bǔ)充說(shuō)明“太陽(yáng)與行星間的引力的方向沿著兩者的連線”.新教材在“行星與太陽(yáng)間的引力”這部分內(nèi)容敘述時(shí)，先是構(gòu)建了行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)學(xué)生已有的基礎(chǔ)，先確定力的方向，然后再推導(dǎo)萬(wàn)有引力大小的表達(dá)式，使敘述順序更加符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展.

新教材中“在引力的存在與性質(zhì)上，行星和太陽(yáng)的地位完全相當(dāng)，因此，行星與太陽(yáng)的引力也應(yīng)與太陽(yáng)的質(zhì)量 m太 成正比”這段話說(shuō)明在萬(wàn)有引力的推導(dǎo)過程中也需要合理的假設(shè)，正是存在假設(shè)的成份，這一表達(dá)式的正確性需要不斷得到檢驗(yàn).牛頓在1665年到1666年進(jìn)行的“月—地檢驗(yàn)”是一種檢驗(yàn)，卡文迪許對(duì)引力常量的測(cè)定更是對(duì)萬(wàn)有引力定律的檢驗(yàn).

2.3?第3節(jié)是“萬(wàn)有引力理論的成就”

本節(jié)主要是應(yīng)用規(guī)律解決實(shí)際問題，問題的成功解決從另一個(gè)角度說(shuō)明萬(wàn)有引力定律經(jīng)受了更多的檢驗(yàn).也說(shuō)明萬(wàn)有引力定律的巨大價(jià)值，認(rèn)識(shí)科學(xué)定律對(duì)人類探索未知世界的作用.牛頓發(fā)現(xiàn)的萬(wàn)有引力定律，是在其后百多年間，由于不斷被科學(xué)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，才逐漸得到普遍承認(rèn).

新教材將原來(lái)的小標(biāo)題“科學(xué)真是迷人”改為“稱量地球的質(zhì)量”，既合文意，又與其它小標(biāo)題協(xié)調(diào)一致.而其要解決的問題是怎樣“稱量”地球的質(zhì)量？這對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)既是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，也是一個(gè)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和方法可以解決的實(shí)際問題，新教材著力通過問題引導(dǎo)讓學(xué)生完成模型建構(gòu)和問題解決.

計(jì)算天體的質(zhì)量的思路與前面計(jì)算地球質(zhì)量的思路不同，它是綜合萬(wàn)有引力定律與牛頓第二定律解決問題.新教材通過問題：能用“稱量”地球質(zhì)量的方法“稱量”太陽(yáng)嗎？怎樣才能得到太陽(yáng)的質(zhì)量？引導(dǎo)學(xué)生自主探究.

預(yù)見并發(fā)現(xiàn)未知行星，是萬(wàn)有引力理論威力和價(jià)值的最生動(dòng)例證.雖然學(xué)生無(wú)法進(jìn)行定量計(jì)算，新教材通過問題：是天文觀測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確？是萬(wàn)有引力定律的準(zhǔn)確性有問題？ 是天王星軌道外面還有一顆未發(fā)現(xiàn)的行星？ ……引導(dǎo)學(xué)生思考和進(jìn)行定性分析.

2.4?第4節(jié)“宇宙航行”是航天方面的重要知識(shí)

本節(jié)體現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律的重大成就——萬(wàn)有引力理論使人類實(shí)現(xiàn)了“飛天”夢(mèng)想.新教材增加了人類對(duì)太空探索和中國(guó)在載人航天和宇宙探索方面的成就與進(jìn)展介紹.

教材把第一宇宙速度放在比第二宇宙速度和第三宇宙速度更加重要的位置，因?yàn)樗桥囵B(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的一個(gè)載體.多大的發(fā)射速度才能成為人造地球衛(wèi)星？這個(gè)牛頓的思考，新教材通過“我們可以從運(yùn)動(dòng)和受力分析入手，用萬(wàn)有引力定律和牛頓第二定律進(jìn)行求解”引導(dǎo)學(xué)生建立模型，進(jìn)行推理得出結(jié)論.

本教材新增“人造地球衛(wèi)星”這一小標(biāo)題，既考慮到我們已經(jīng)處于人造地球衛(wèi)星數(shù)量、類型和技術(shù)迅猛發(fā)展、人造地球衛(wèi)星與人的生活聯(lián)系日益緊密的時(shí)代，又考慮到人造地球衛(wèi)星的進(jìn)一步討論既是第一宇宙速度的延伸，也是物理知識(shí)的綜合運(yùn)用.

2.5?第5節(jié)“相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性”

本節(jié)重點(diǎn)是“相對(duì)論時(shí)空觀”和“牛頓力學(xué)的成就與局限性”.

高速世界的物理規(guī)律是學(xué)生陌生并很難想象的.新教材先通過問題“設(shè)想人類可以利用飛船以 0.2c 的速度進(jìn)行星際航行.若飛船向正前方的某一星球發(fā)射一束激光，該星球上的觀察者測(cè)量到的激光的速度是多少？”讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到依據(jù)速度合成規(guī)則推導(dǎo)得到的結(jié)論與“世界上最快的速度是光速”產(chǎn)生了矛盾，為接受相對(duì)論打開了一條“縫”.

沒有生活經(jīng)驗(yàn)的支撐，要使學(xué)生接受相對(duì)論的基本觀點(diǎn)唯一的路徑是運(yùn)用推理的力量.新教材創(chuàng)設(shè)的情景“假設(shè)一列火車沿平直軌道飛快地勻速行駛.車廂中央的光源發(fā)出了一個(gè)閃光，閃光照到了車廂的前壁和后壁”和“閃光是否同時(shí)到達(dá)前后兩壁”的問題，意在引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用分析、推理的力量來(lái)得到結(jié)論.

新教材在“牛頓力學(xué)的成就與局限性”這一小標(biāo)題下敘述了下列幾方面的內(nèi)容：萬(wàn)有引力定律的建立與應(yīng)用確立了人們對(duì)牛頓力學(xué)的尊敬.從地面上物體的運(yùn)動(dòng)到天體的運(yùn)動(dòng)，牛頓力學(xué)在如此廣闊的領(lǐng)域里與實(shí)際相符合，顯示了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的正確性和牛頓力學(xué)的魅力.物體在以接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)的規(guī)律和微觀世界中的電子、質(zhì)子、中子等的運(yùn)動(dòng)規(guī)律雖然在很多情況下不能用牛頓力學(xué)來(lái)說(shuō)明，然而基于實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的牛頓力學(xué)并沒有被新的科學(xué)成就所否定，而是作為某些條件下的特殊情形，被包括在新的科學(xué)成就之中.

新教材在科學(xué)漫步“宇宙的起源和演化”中設(shè)置了一個(gè)看似理所當(dāng)然的結(jié)論：宇宙中星系之間存在引力，隨著時(shí)間的推移，它們應(yīng)會(huì)互相靠攏.它與實(shí)際觀測(cè)相符嗎？由此引出宇宙的起源與演化的問題，并在科學(xué)漫步“恒星的演化”中介紹恒星的演化和黑洞的簡(jiǎn)單知識(shí).

（收稿日期：2019-08-15）