由萬有引力定律淺談高中物理核心素養

宗游

摘要：本文從課程標準和核心素養出發，以萬有引力定律為載體，闡述高中物理教學如何滲透核心素養，以及對于學生思維上的影響。

關鍵詞：核心素養? 萬有引力定律? 物理思維

物理學科的核心素養提出，要從物理視角對客觀實物的本質屬性、內在規律和相互作用關系形成認知，能夠基于經驗事實構建相應的物理理想模型，進行分析綜合、推理論證，并通過實驗探究形成學生正確的科學態度和責任。而在教學過程中，大多數教師生硬地給出規律，局限于不斷重復訓練以應對考試，并未使學生形成良好的科學思維習慣。

本文將以萬有引力定律為例，在物理學史的滲透，問題意識的樹立，科學思維和科學責任的培養等方面進行探討，簡述在教學過程中的具體操作。

一、重溫科學腳步，體會堅持不懈的求真精神

在古代，人們對宇宙的認知是有局限的，其中以地心說和日心說最具代表性。地心說認為地球為宇宙的中心，一切天體均圍繞地球旋轉，這無疑和教皇的統治思想是一致的。直至哥白尼提出日心說，認為太陽是宇宙的中心，否認具有宗教背景的地心說，實現了天文學上思想的突破。意大利學者布魯諾更以生命的代價公開支持日心說，被燒死在了羅馬的鮮花廣場。而德國天文學家開普勒用了20年的時間研究了第谷的觀測記錄，又通過長達4年的計算，否定了19種假設，才把天體位置測量的誤差由10′減少到2′，得出行星繞太陽運動的軌道為橢圓，進而總結歸納出開普勒三大定律，為人們研究宇宙創造了條件。人類對宇宙的探索一直沒有停歇，牛頓在胡克、哈雷、笛卡爾等前人研究的基礎上逐步揭示了萬有引力定律，真正開啟宇宙探索之門。這樣一個漫長、曲折的歷史發展過程就像一部電影映入學生眼簾，科學真理的得出來之不易，真理的發現過程更是艱辛。無數科學家耗盡畢生心血，甚至付出了生命的代價，都是為了真理鮮花的盛開之美。學生在以后的人生道路中，必然會遇到很多的問題，良好的品格、頑強的信心、堅忍的個性對于學生是非常重要的。通過這些史實培養起學生對于科學探究的堅持不懈的精神，而這種精神不僅存在于物理學科，它是可以影響學生一生的寶貴品質！

二、樹立問題意識，從物理視角觀察生活情境

對于牛頓的認識，學生大多是由蘋果落地開始的，正是這樣一位對物理規律的普適性極為敏感的大科學家，主導了人類科學史上又一次偉大的變革。細致的觀察，敏銳的問題意識，體現出探究絕不只是坐在課堂之中。而學生很多時候會把知識學習和生活嚴格地分隔開來，離開了書桌就等于結束了學習，對于身邊發生的物理現象視而不見。其實不然，物理規律是具有極強的普適性的，小到班級里風扇的運轉、粉筆字的書寫、騎車回家的過程，大到飛機、航母、航天飛船的設計使用，無疑都與物理規律密切相關。所以，了解牛頓發現萬有引力定律過程，可以讓學生養成把生活情景和物理規律聯系起來的良好習慣，這也正是物理核心素養的體現。

一般來說，物理問題的研究過程一般需要經過提出問題、分析假設、驗證修正、解決問題這幾個階段，其中提出問題是起點，也是重點。此時教師應該組織學生進行充分的討論，發現問題所在，即蘋果會下落，那么月球是不是也會下落呢？既然月球圍繞著地球做圓周運動，那么月球繞地球做圓周運動的向心力和使蘋果下落的力是不是同一種性質的力呢？敢于發問，善于發問，是形成科學探究品質的保障。

三、層層深入，養成嚴謹的科學探究思維和實驗探究習慣

問題提出后必須經過嚴謹科學的論證，最終才形成科學結論。在萬有引力定律的思考過程中，讓學生結合開普勒第一、第二定律，首先得出太陽和行星之間的引力表達公式：F∝Mmr2，進而整理為F=GMmr2。但是這里的公式僅僅代表太陽和行星之間的引力大小，絕不能稱其為“萬有引力”，這從第二節和第三節的標題中也可以發現。所以牛頓進行了“月—地檢驗”這樣一個富有創造性的推理實驗。要檢驗什么？如何去檢驗？清晰的思路，逐步去完善科學探究，并且結合物理特有的理想模型進行思考。

牛頓假設存在一個小月球，它離地面的距離約為地球最高峰的高度，并圍繞地球做圓周運動，那么小月球具有的向心力和使地球表面的蘋果自由下落的重力應該是同一種性質的力。假如小月球的運動突然停止，那么它應與山頂的其他物體保持相同速度下落。但若向心力來源不為重力，那么兩種力作用之下，其速度會變得更大，顯然與我們的生活經驗相違背。解讀牛頓的科學探究過程，讓學生牛頓的思想在學生頭腦中逐步深化、建立物理模型，并且形成系統嚴謹的科學探究思路，滲透核心素養品質。學生在這個過程之中能夠體會物理的學科方法在構建物理規律中的重要作用，認識到解決問題的基本路徑，從而在后續的學習中能夠更好地自主學習。

四、真理要經得起檢驗，科學負有責任感

科學態度和責任的培養也是物理教學重要的教學目標，做學問首先要做人，做一個對自然有敬畏心、對真理有探索欲、對社會有責任感的人，在日常教學中完善對學生的德育是培養合格人才的基本途徑之一。

從對本校教師的訪談中可以看到，大部分教師對萬有引力定律的推導使用了向心力方程與動力學方程。而在當年萬有引力定律得出時，牛頓是在橢圓軌道的情形下通過開普勒第三定律，從離心力定律演化出的向心力定律和數學上的極限思想或微積分概念，才用幾何方法證明的。真實的天體運動畢竟不是勻速圓周理想化模型，從這里也可以看出牛頓對于科學結論的求真精神。依照牛頓的萬有引力定律推算結果，行星是圍繞著太陽沿橢圓軌道做周期性運動。但是，天文觀測中發現的現象卻有所不同，某些行星的真實軌道并不是嚴格的橢圓，它們的近日點在不斷地進動，這樣牛頓的萬有引力定律就不適用了。

直至牛頓逝世后的71年，才由英國科學家卡文迪許測量出了G的數值，獨立發明的扭秤實驗、無法絕對無視其他物體質量干擾、作用力微弱到幾乎無法發現，這一系列的問題都為G值的測量增加了不少難度，并且隨著科學發展，G值也在一次次不斷地修正。通過這樣的事實，讓學生感受到任何規律絕對都不是簡單地證明出來就算結束，科學家們對于科學結論得出時嚴謹的科學態度和責任感是讓人敬畏的。做學問如此，做人更應如此！

五、小結

萬有引力定律是曲線運動的重要章節，在課程設置中，對于學生樹立正確的科學觀和宇宙觀有重要的作用。經過系統化的學科訓練，學生應該在在培養物理思維、開闊人生視野、提升學科素養等方面有長足的進步，最終成長為一個具有可持續發展能力的人，一個符合新時代育人標準的人。這要求教師要努力做好自身發展，在工作中堅持學習，在課堂教學中也不只進行片面的物理知識性教學，課程標準指出，全面提升學生的素質、思維、能力是新時代的育人標準。如果學生在后期的大學學習中選擇了非物理專業，那么我們從初中到高中，這樣五年的物理教學就沒有意義了嗎？學生獲得的這些物理規律、物理思維方法是不是也沒有意義了？不然！或許定理已經不再被提及，但是物理邏輯推理的方法一定是學生終身受益的！物理的學科思維必然會成為學生主體思維的重要組成部分。學生領悟到的是物理思想，又不止于物理思想。

參考文獻：

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