基于物理學科核心素養的問題導向式教學課例

廖佛彬

【摘要】培養科學思維是物理學科核心素養的關鍵因素之一。問題能夠啟發思維，培養物理學科核心素養。作為高中物理教師要精心設計好問題，通過問答式教學，逐步引導學生層層深入思考，訓練學生的邏輯推理能力，培養科學嚴謹的思維能力。

【關鍵詞】高中物理;問題導向;科學思維;核心素養

在高中物理課堂中運用問題導向式教學對打開高中生的物理科學思維極有裨益。所謂問題導向式教學，即在教學過程中設計一些啟示學生思考的問題，調整好問題的先后及邏輯關系，并逐步引導學生對物理現象進行深入分析，進行互動交流致力于解決問題，培養學生的物理學科核心素養。

本文以《萬引力定律的應用》為例談談問題導向式教學過程，通過設計一系列的問題引導學生思考，層層剖析，得出論斷，培養學生的科學思維能力。

一、萬有引力與重力的關系

回顧萬有引力定律的內容以及重力的知識。

研討問題：重力是不是萬有引力？重力與萬有引力有什么關系？

提出問題①：地球表面的物體隨地球轉動而做勻速圓周運動，圓心是不是地心？半徑是不是地球半徑R？

圓心在垂直于地軸的位置，而不是地心，半徑r=Rcosθ（θ表示物體所在緯度）。

提出問題②：物體做勻速圓周運動由什么力充當向心力？

受力分析尋找向心力的來源，物體受地球的萬有引力和支持力作用，萬有引力的一個分力提供向心力，另一個分力與支持力平衡，表現為重力。

提出問題③：物體做圓周運動所需向心力相對于其所受萬有引力大小如何？

試算1千克的物體在赤道處所受的萬有引力大小，代入數值得，而物體所需向心力大小，算得向心力，即所需向心力遠小于萬有引力的大小。

結論：地球表面上的物體所受重力近似等于所受的萬有引力，即。

二、計算天體的質量

提出問題①：地球質量無法用天平稱量，怎么樣稱量地球的質量呢？

依據，可推出。地球半徑R和重力加速度g早已被測量出來，當卡文迪許把萬有引力常量G測出來后就意味著可以測出地球質量了。卡文迪許因此而被譽為“稱出地球質量的第一人”。

提出問題②：能不能用這個方法求出太陽質量呢？

因為太陽表面加速度和太陽半徑不知道，所以無法用這種方法求出太陽質量。

提出問題③：能不能用行星繞太陽運動去計算呢？地球繞太陽是怎么運動的？

開普勒定律告訴我們，地球繞太陽做橢圓運動，可以近似看成做勻速圓周運動。

提出問題④：地球繞太陽做勻速圓周運動，由什么力提供向心力？

由太陽對地球的萬有引力提供向心力，，得，即知道地球公轉周期和半徑，就可求出太陽質量。

提出問題⑤：能不能用萬有引力提供向心力的方法求地球質量呢？要已知什么物理量？

已知環繞地球做勻速圓周運動的衛星運行情況，如軌道半徑和線速度、軌道半徑和角速度、軌道半徑和周期，運用

萬有引力提供向心力列方程，，可得、、。

結論：求天體質量的兩種思路：一是萬有引力近似等于重力的方法（簡稱表面法），二是由萬有引力提供向心力的方法（簡稱繞行法）。

三、人造衛星宇宙速度

提出問題①：地球的人造衛星是怎么樣發射上去的呢？

牛頓在300多年前就提出設想，如果在一座高山上水平發射炮彈，物體將會掉回地面，如果發射速度增大，炮彈落點離發射點更遠，類似于平拋，如果速度達到一定程度可以打到地球另一側，如洲際導彈。速度越大，打得越遠，但還是掉回了地面，沒有成為人造地球衛星。

提出問題②：掉回地面的原因是什么？物體做得是什么運動？

由于物體受到的萬有引力大于需要的向心力大小，物體做靠近圓心的運動。

提出問題③：怎樣才能使物體繞地球做勻速圓周運動而不掉回地面呢？

增大發射速度，物體所需的向心力變大，使得剛好等于提供的萬有引力。

提出問題④：需要多大的發射速度才能使物體繞地球做勻速圓周運動呢？

根據，得出，因山峰高度遠小于地球半徑，物體離球心的半徑r近似等于地球半徑R，代入數值求得v=7.9km/s，稱為地球的第一宇宙速度，也叫環繞速度，它是在地球上發射人造地球衛星所需要的最小發射速度。

提出問題⑤：有沒有其他方法可以推算地球的第一宇宙速度？

地球表面物體所受的重力大小近似等于萬有引力大小，相當于重力提供向心力，即，得出v==7.9km/s。

提出問題⑥：假如物體的發射速度持續增大，物體將會做什么運動？

物體所受萬有引力小于需要的向心力，物體將做遠離圓心的運動。

提出問題⑦：在遠離圓心的過程中，速度大小怎么變？

萬有引力F與速度v兩者方向的夾角是鈍角，速度會減小。

提出問題⑧：最終物體會做什么運動？

當速度小到一定程度，物體所需的向心力小于提供的萬有引力時，物體又會做靠近圓心的運動，最終形成橢圓運動。發射的速度越大，橢圓的遠地點越遠。當速度大到一定程度，太陽對物體的吸引力大于地球的引力，物體將會脫離地球的束縛，不在繞地球運行而成為太陽的一顆小行星，所需要的最小發射速度是11.2km/s，稱為第二宇宙速度，也叫脫離速度。

提出問題⑨：如果發射的速度繼續增大，物體有可能會怎么樣？

當發射速度達到16.7km/s時，物體將會脫離大陽的吸引，飛出太陽系。這一發射速度稱為第三宇宙速度，也稱逃逸速度。

參考文獻：

[1]楊靖華.物理學科教學中的核心素養培養[J].教育·校長參考， 2020.

[2]華小建.問題導向式教學，推開物理思維之門[J].數據化解題研究，2019.

[3]李國華.再談重力與萬有 引力的關系及中學階段的教學處理方法[J].教學實踐，2017.