用好“拓展一步”欄目 培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)
——以“萬(wàn)有引力定律”教學(xué)為例

羅振國(guó)

(福建省石獅市第一中學(xué),福建 泉州 362700)

1 引言

在魯科版必修二第五章第一節(jié)“萬(wàn)有引力定律”中，編排了3處“拓展一步”，筆者認(rèn)為，這充分體現(xiàn)了編者對(duì)該節(jié)內(nèi)容的重視，在平時(shí)的教學(xué)中科學(xué)地使用教材、培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)是一線教師追求的目標(biāo)，筆者結(jié)合自己對(duì)教材的研讀，與同仁分享教學(xué)體會(huì)。

2 “拓展一步”欄目賞析

2.1 第一步拓展：萬(wàn)有引力定律的推導(dǎo)

如圖1所示是教材“拓展一步”中關(guān)于萬(wàn)有引力定律的推導(dǎo)，看似簡(jiǎn)單，實(shí)則精彩，分析如下。

圖1

(1) 由于八大行星的偏心率均小于0.3，我們可把行星的運(yùn)動(dòng)軌道近似處理為圓形，這點(diǎn)與開普勒的橢圓軌道理論不一樣。我們要引導(dǎo)學(xué)生建立簡(jiǎn)單的圓周模型，由易到難。

(3) 值得一提的是牛頓之所以能站穩(wěn)在“巨人的肩膀上”，跟他的創(chuàng)新思維有關(guān)，他發(fā)現(xiàn)了牛頓第三定律。牛頓指出：引力與行星質(zhì)量有關(guān)，根據(jù)相互作用的原理，該力也和太陽(yáng)的質(zhì)量有關(guān)，這就是他的過人之處。這里我們有必要強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究中創(chuàng)新能力的重要性，以2009年上海高考題為例進(jìn)行說明。

例1(2009年高考上海卷)：牛頓以天體之間普遍存在著引力為依據(jù)，運(yùn)用嚴(yán)密的邏輯推理，建立了萬(wàn)有引力定律。在創(chuàng)建萬(wàn)有引力定律的過程中，牛頓( )。

A. 接受了胡克等科學(xué)家關(guān)于“吸引力與兩中心距離的平方成反比”的猜想

B. 根據(jù)地球上一切物體都以相同加速度下落的事實(shí)，得出物體受地球的引力與其質(zhì)量成正比，即F∝m的結(jié)論

C. 根據(jù)F∝m和牛頓第三定律，分析了地月間的引力關(guān)系，進(jìn)而得出F∝m1m2

D. 根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了比例系數(shù)G的大小

解析：在創(chuàng)建萬(wàn)有引力定律的過程中，牛頓已經(jīng)接受了平方反比猜想、物體受地球的引力與其質(zhì)量成正比的結(jié)論，在提出萬(wàn)有引力定律后，卡文迪許利用扭稱測(cè)量出萬(wàn)有引力常量G的大小，因此符合題意的有A、B、C選項(xiàng)。

可見，看似尋常的推導(dǎo)過程中包含了科學(xué)思維中模型建模、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，教師要好好利用這些資源，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)。

2.2 第二步拓展：月—地檢驗(yàn)

如圖2所示，這是教材中給出的月—地檢驗(yàn)過程，這個(gè)論證過程在物理學(xué)史上占據(jù)著重要地位，蘋果砸在牛頓頭上的故事可謂家喻戶曉，然而對(duì)其中包含的物理內(nèi)涵學(xué)生未必清楚。牛頓推導(dǎo)出萬(wàn)有引力定律后，很多人持懷疑態(tài)度。牛頓也曾嘗試去測(cè)量引力，但均以失敗而告終，歸根到底就是萬(wàn)有引力常量太小了！然而牛頓利用了間接推理的方式，證明了萬(wàn)有引力定律的合理性，分析如下。

圖2

例2(2018年高考北京卷)：若想檢驗(yàn)“使月球繞地球運(yùn)動(dòng)的力”與“使蘋果落地的力”遵循同樣的規(guī)律，在已知月地距離約為地球半徑60倍的情況下，需要驗(yàn)證( )。

2.3 拓展第三步：微小量的測(cè)量

如圖3所示，卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)史上最美十大實(shí)驗(yàn)之一。教材中介紹了扭秤實(shí)驗(yàn)的原理，考慮到學(xué)生的認(rèn)知水平，具體推導(dǎo)的過程沒有詳細(xì)說明。本實(shí)驗(yàn)之所以被選為物理學(xué)最美實(shí)驗(yàn)之一，最大的原因就是測(cè)量過程中巧妙運(yùn)用了“放大思想”。

圖3

(1) 卡文迪許利用兩組小球，產(chǎn)生兩個(gè)引力，實(shí)現(xiàn)了第一次放大。

(2) 利用光杠桿原理(鏡面反射)，實(shí)現(xiàn)了第二次放大。

這個(gè)原理在課本上沒有進(jìn)行介紹，2010年上海高考卷第27題詳細(xì)探討了卡文迪許利用扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)量引力常量的原理。

例3(2010年上海高考卷)：卡文迪許利用扭秤實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量了引力常量G。

(1) 為了測(cè)量石英絲極微小的扭轉(zhuǎn)角，該實(shí)驗(yàn)裝置中采取“微小量放大”的主要措施是( )。

A. 減小石英絲的直徑

B. 增大T型架橫梁的長(zhǎng)度

C. 利用平面鏡對(duì)光線的反射

D. 增大刻度尺與平面鏡的距離

(2) 已知T型架水平橫梁長(zhǎng)度為l，質(zhì)量分別為m和m′的球，位于同一水平面內(nèi)，當(dāng)橫梁處于力矩平衡狀態(tài)時(shí)，測(cè)得m、m′連線長(zhǎng)度為r，且與水平橫梁垂直，同時(shí)測(cè)得石英絲的扭轉(zhuǎn)角度為θ，由此得到扭轉(zhuǎn)力矩kθ(k為扭轉(zhuǎn)系數(shù)且已知)，則引力常量的表達(dá)式G=。

解析：(1) 利用平面鏡對(duì)光線的反射，增大刻度尺與平面鏡的距離，故選項(xiàng)C、D正確。

2.4 小結(jié)

以上3處拓展內(nèi)容體現(xiàn)了科學(xué)推理與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合的物理特色，承擔(dān)了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的重任。如果教師只是輕描淡寫地講解，那勢(shì)必會(huì)錯(cuò)失了培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的良機(jī)，同時(shí)也與教材編者的意圖相違背。

3 教學(xué)啟示

3.1 學(xué)習(xí)課標(biāo)，領(lǐng)會(huì)其內(nèi)涵

首先，教師要認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)指導(dǎo)文件，領(lǐng)會(huì)其內(nèi)涵。我們要認(rèn)真研讀《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》，其中明確指出：物理觀念是物理知識(shí)的內(nèi)化，是其他核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)，科學(xué)思維和科學(xué)探究是關(guān)鍵能力，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是必備品格。教師要領(lǐng)會(huì)其內(nèi)涵，指導(dǎo)自己的教學(xué)實(shí)踐，在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、習(xí)題、課外拓展等環(huán)節(jié)關(guān)注物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.2 梳理教材內(nèi)容，挖掘課程資源

表1

教師要在平時(shí)的教學(xué)中充分挖掘現(xiàn)有的課程資源，有針對(duì)地培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。通過這節(jié)課的教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)，魯科版教材的編排還有許多地方值得我們深入挖掘，如“拓展一步”“信息窗”“物理學(xué)史(歷史回眸)”“方法點(diǎn)撥”“迷你實(shí)驗(yàn)室”等欄目，認(rèn)真研讀教材，這些資源對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)是非常有幫助的，筆者對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)(表1)。