巧用影片素材情境 深入挖掘物理元素

摘 要：將電影素材中豐富的情境巧妙轉化為物理教育教學素材，豐富課堂教學，創設問題情境，有利于激發學生思維，打造物理特色“課堂思政”。本文以電影《流浪地球2》為例，深入挖掘其中的物理元素，探索將電影素材融入物理教學的實踐路徑。

關鍵詞：課程思政；情境素材；問題情境；物理教學；核心素養

1 引言

《中國高考評價體系說明》要求“進一步強調情境化設計，緊密聯系學生日常生活實際、國家發展和社會進步，擴展素材選取范圍，在現實的問題情境中考查學生核心素養的發展水平，從而推動關鍵能力和核心素養在教學和考試中的落實?！保?］教師應以創設問題情境為切入點，以培養學生思維能力為核心，以提高學生認知水平為重點，將發展學生核心素養作為助力物理教學高質量發展的重要支撐。［2］

電影能為教學提供豐富的生活情境和跨學科實踐素材，這些素材能有機融入課堂教學實踐中。教師在將電影素材融入課堂教學的過程中時，一方面要堅守課程知識體系的科學性和重視知識與技術的傳授，另一方面要將課程思政有機融合到課程的知識教化之中，貫穿于講授過程，并體現在培養目標上。［3］本文選取國產電影《流浪地球2》，深入挖掘其中的物理元素，探索將電影素材融入物理教學的實踐路徑，以期為基礎物理教育教學的情境素材創設提供參考。

2 《流浪地球2》素材轉化的實踐

《流浪地球2》中蘊含著豐富的物理元素。以人教版高中物理教材為參照，本文列出了影片的情節設定與對應物理知識點（如表1所示）。利用好這一教學資源，有助于學生基于真實情境下發展學科及跨學科的問題解決能力，這對于促進學生核心素養的發展有重要價值。［4］

2.1 “太空電梯”

在《流浪地球2》的“太空電梯”設想中，工作人員從地球同步衛星處伸出“繩索”垂到地面，并在地面一端固定，形成太空電梯的運行軌道。以“太空電梯”為突破口，教師將需要考查的“萬有引力定律”還原到真實的問題情境中，旨在彌合新舊知識的“認知真空”，引導學生由表及里、抽絲剝繭地分析問題，從而幫助學生深化知識理解、提升認知水平。此舉不僅為解決教學中淺表化、短視化的問題提供了新思路，也為探尋實現知識深度建構的教學路徑指明了方向。本文基于該素材設計了如下例題。

例1 （原創）“太空電梯”構想由被譽為“航天之父”的前蘇聯科學家齊奧爾科夫斯基提出，時至今日，仍然具有極高價值。如果太空電梯能夠實現（如圖1所示），則可以大幅提高人類的航天能力，幫助人類更快地建設空間站、太空發電站等設施。為了建造太空電梯，人類提出一種構想：在地球同步衛星中將“纜繩”從太空投下，將其固定在地面上（如圖2所示）。引力常量G取6.67×10－11N·m2/kg2，地球質量約為5.97×1024kg，把地球看成質點。請回答下列問題：

（1）太空電梯的重心到地面的高度為多少？

（2）太空電梯需要配重嗎？

第（1）問的解析如下。

設地球和同步衛星的質量分別為M、m，兩者之間的距離為r。

同步衛星只受到地球的引力作用，萬有引力提供衛星做圓周運動所需的向心力，有

GMmr2＝mv2r＝mω2r，①

將線速度的表達式v＝2πrT代入向心力，得

r＝3GMT24π2。②

將同步衛星的周期T＝24h代入式②，得

r≈4.22×104km，③

所以太空電梯的重心到地面的高度約為4.22×104km。

對于第（2）問，在建造太空電梯過程中，需要從同步衛星伸出“繩索”垂到地面。然而，隨著“繩索”逐漸下放，萬有引力的作用增強，離心力相對減弱，“繩索”會對同步衛星產生一個向內的拉力。為了保持衛星受力平衡和穩定運行，需要在向下放“繩索”過程中，向上“扔”配重物體，這些配重將產生向外的反作用力，以此抵消繩索對衛星的向內拉力，從而確保同步衛星能夠維持其原有的穩定狀態。

2.2 “行星發動機”

在《流浪地球2》的“逐月計劃”實施過程中，人類利用三臺巨型“行星發動機”噴射氣體，從而產生強大推力，將月球從其繞地球的運行軌道上推離。這些安裝在月球邊緣的“行星發動機”可以產生沿月球公轉軌道切線方向的推力，確保所有動能都用于加速過程，從而提高能量的利用率。創設“拋棄月球”這一新穎情境，不僅是啟迪學生知識創新的有效途徑，還能有效激發學生的求知欲和探索欲，幫助學生建構全方位、多層次、立體化的知識網絡，并促進學生在實踐能力、創新意識和良好行為表現方面的全面發展。本文基于該素材設計了如下例題。

例2 （原創）在《流浪地球2》中，通過安裝在月球上的行星發動機噴射氣體，依靠重核聚變提供動力，可以將月球推離其繞地球運行的軌道，為地球的“逃逸”創造條件。根據所學知識，判斷下列說法正確的是（" ）。

A. 在月球繞地球轉動的過程中，我們可以看到月球的“兩面”

B. 兩個較重的原子核聚變在一起，形成一個更重的原子核，會釋放出一些能量

C. 月球發動機爆炸后，月球應該以自由落體運動墜向地球

D. 地月引力不會對地球造成影響

解析：月球自轉一周的時間與繞地球公轉一周的時間相同，并且轉動方向一致，因此從地球上看月球時，我們只能看到月球的一面，這種現象在天文學上被稱為潮汐鎖定，故選項A錯誤。在核反應過程中，兩個原子核的質量之和大于所形成原子核的質量，多出的質量可以根據愛因斯坦質能方程判斷其轉化為了能量，故選項B正確。在月球發動機爆炸后，月球繞地球公轉并沒有剎停，而是調整為偏心率很高的橢圓軌道，月球沿螺旋軌道墜落，故選項C錯誤。月球對地球的吸引力和慣性離心力的合力是引潮力，在地球朝向月亮一側和背離月亮一側會形成漲潮，導致潮汐效應，故選項D錯誤。

2.3 “洛希極限”

在《流浪地球2》中，安裝在月球上的行星發動機發生損毀。月球在突破“洛希極限”失控并撞上地球前，它將因為地球引力和離心力的作用被撕碎，產生的高速碎塊會墜向地面，從而引發“月球墜落危機”。教師在教學過程中可巧妙鋪設影片情境，將復雜的“洛希極限”問題簡化為基礎物理模型，以學生為主體建構情境交互教學模式，推動學生知識建構與認知思維的雙向互動。本文設計的例題如下。

例3 （原創）“洛希極限”指一個天體自身的引力與另一個天體施加的潮汐力相等時，兩個天體中心間的距離（如圖3所示）。在《流浪地球2》中由于月球發動機損壞，月球即將突破洛希極限，造成月球墜落危機。已知地球的平均密度ρ地＝5.52g/cm3，月球的平均密度ρ月＝3.34g/cm3，地月中心間的距離遠遠大于月球的半徑，請問地月系統的“洛希極限”是多少？［忽略月球幾何形狀的改變，將月球視為剛體球，若x1，則（1＋x）－2≈1－2x］

解析：設地球和月球的質量分別為M地、M月，半徑分別為R地、R月，地月中心間的距離為d，靠近地球一側的物體質量為m。

由萬有引力定律可知，月球對物體的引力為

F引＝GM月mR2月。④

地球對物體的引潮力為

F潮＝GM地m（d－R月）2－GM地md2。⑤

由于dR月，則

1（d－R月）2≈1d21＋2R月d，⑥

引潮力化簡為

F潮＝G2M地mR月d3。⑦

當物體所受引力與引潮力相等時，達到洛希極限，即

GM月mR2月＝G2M地mR月d3，⑧

解得

d＝R月32M地M月。⑨

將M地＝4π3ρ地R3地、M月＝4π3ρ月R3月代入洛希極限表達式，則

d＝R地32ρ地ρ月。⑩

代入ρ地＝5.52g/cm3、ρ月＝3.34g/cm3，解得

d≈1.49R地，B11

所以地月系統的“洛希極限”約為1.49R地。

實際上，在月球靠近地球的過程中，由于地球強大的引力作用，月球的幾何形狀會顯著變化，因此不能簡單地將月球視為剛體模型來處理。此時應考慮月球的流體模型及其對應的洛希極限效應，基于這種模型分析，月球實際解體的位置會比按照剛體模型預測的結果更遠。

2.4 “相控陣引爆”

在《流浪地球2》中，為了應對月球撞向地球的危機，人們在月球表面布置了大量核彈，形成陣列，利用相控陣原理設定了不同的爆炸時間間隔。這樣，當所有核彈按預定時間依次爆炸時，所產生的沖擊波能量將在月核位置疊加，瞬間產生超高溫，引發月核聚變。試題開頭以“危難當前，唯有責任”這一句話作為“火種”，引人深思，彰顯中華民族的強大精神動力，滲透愛國主義核心價值觀。這樣的設計旨在幫助學生理解家國情懷的內涵與時代價值，從而使學生從中汲取精神力量，為全面推進中華民族偉大復興而不懈奮斗。本文設計的例題如下。

例4 （原創）“危難當前，唯有責任”是中國人的愛國情懷，是中國人獨特的責任與擔當。在《流浪地球2》中，為了應對月球墜落危機，人類采用相控陣技術，由航天員手動引爆核彈使月球解體，此后地球踏上了孤獨的流浪之旅。相控陣技術利用核爆沖擊波的干涉原理，降噪耳機采用聲波疊加抵消原理，兩者均與波的疊加有關。根據所學知識，判斷下列說法正確的是（" ）。

A. 振動方向相同，頻率不同的兩列波可以發生干涉

B. 噪聲聲波與反相位聲波的相位差φ＝2nπ（n＝0，1，2，…）

C. 主動降噪通過包圍耳朵形成封閉空間，或者采用隔音材料阻擋外界噪聲

D. 通過控制相控陣天線發射的電磁波，可以實現波峰疊加

解析：發生干涉的條件需要滿足頻率相同、相位差恒定、振動方向相同，故選項A錯誤。當噪聲聲波與反相位聲波相位差φ＝（2n＋1）π（n＝0，1，2，…）時，可以降低噪聲振幅，故選項B錯誤。主動降噪是通過降噪系統產生與外界噪音相等的反向聲波，將噪音中和，從而實現降噪的效果；被動降噪是通過包圍耳朵形成封閉空間，或者采用隔音材料阻擋外界噪聲，故選項C錯誤。通過控制相控陣天線發射

的電磁波，可以實現波峰疊加，在特定方向形成波束，故選項D正確。

3 結語

深入挖掘影片中的物理元素，并將其轉化為教學素材融入物理課堂教學之中，不僅為創設新穎問題情境提供豐富的素材來源，還能有效促進學生科學知識體系的有意義建構。這一過程不僅培育了學生實踐創新思維，還幫助學生提升了高階認知思維能力，從而推動物理學科核心素養的有效落實。在實際教學中，教師要立足學生認知基礎，緊扣教學重難點，精篩問題情境，為物理課堂教學質量的提升賦能。

參考文獻

［1］教育部考試中心. 中國高考評價體系說明［M］. 北京：人民教育出版社，2019：17．

［2］陶昌宏. 以創設問題情景為切入點——《物理教學的基本特征》之一［J］. 物理教學，2010，32（1）：9-11，47．

［3］周星，劉彤. 新階段電影教育與課程思政關系的思考［J］. 電影文學，2022（15）：4-11．

［4］李俊永，許光曙，王長江. 創設物理問題情境 發展高階思維能力［J］. 物理教師，2021，42（11）：31-33，36．