高中物理教学中学生核心素养的培养——2017年部级优课“万有引力理论的成就”教学为例

吕江辉

(浙江省新昌中学,浙江 新昌 312500)

1 教学目标(基础目标和发展目标)

(1) 了解万有引力定律在天文学上的重要应用．

(2) 会用万有引力定律计算天体的质量,了解“称量地球质量”、“计算太阳质量”的基本思路,培养学生归纳总结建立模型的能力与方法．

(3) 体会万有引力定律的科学成就,让学生懂得理论来源于实践,反过来又可以指导实践的辩证唯物主义观点．

2 教学过程及基于核心素养的设计评述

在上一节中,我们学习推导了万有引力定律.万有引力定律的发现,是17世纪自然科学最伟大的成果之一.它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响．

2.1 称量地球质量

探究思考1:我国的航天事业处于世界领先地位,他的蓬勃发展和成功都是建立在万有引力定律的基础之上,发射火箭飞船,需要大量数据精准的计算,里面就要明确知道地球的质量,现在的数据当然已经很精确了,那我们是否可以根据已有的知识设计方案来称量地球的质量呢?

学生活动1:学生分组活动,设计方案求地球的质量.

(学生)方案1:通常情况下,忽略地球自转的时候,我们可以有万有引力等于重力．

方案2:将天体的运动近似看成匀速圆周运动,其所需的向心力都来自于万有引力,然后结合向心力公式,月球绕地球转动,地球对月球的引力,让其做圆周运动,故

得

方案3:……

基于核心素养的设计评述： 科学探究与交流,根据问题和已有的知识,寻找证据进行合理解释;关注学生学习状况,本节内容不难,在预习基础上学生完全理解,不做假探究,开篇打好本节课的内容框架．

(教师)针对方案1:在牛顿发现万有引力定律后,当时重力加速度g,地球半径R均已知,谁能测量出引力常量G,谁就能测出地球的质量,大家知道谁是第一个称量出地球质量的人吗?

(学生)卡文迪许,……

(教师)方案1称为代换法,方案2称为环绕法,用圆周运动向心力方法中,里面分别用线速度、角速度、周期来求地球质量,哪个在实际应用中更方便?

图1

探究思考2:卡文迪许用他自己的扭秤,“称量了地球的重量”,万有引力定律,就是称量天体质量的天平．为什么忽略地球自转,地面上物体的重力近似等于地球对物体的引力?能否通过数据证明．

如图1所示，由受力分析可知,物体受到地球的万有引力,一部分充当物体所需的向心力,另外一部分即为重力,即万有引力可分解为:重力、向心力,要说明问题,可比较所需的最大向心力和重力,已知地球半径为6400km,重力加速度可取9.8m/s2.

学生活动2:学生分组活动,设计方案通过数据说明物体随地球做圆周运动所需的向心力很小,重力近似等于地球对物体的引力．

相对于重力9.8m可以忽略.

基于核心素养的设计评述：科学思维与创新——构建模型,敢于科学推理和科学论证,自己通过数据钻研说明,地球自转所需的向心力很小,相对万有引力而言可以忽略不计．培养学生敢于质疑敢于实践的科学精神．

(学生1)与月球质量无关,求月球质量可以通过绕月球做圆周运动的卫星.

(学生2)可以找月球表面的物体,前提测出月球表面的重力加速度,可以通过释放一个重物来测定重力加速度

……

(教师)如果测太阳的质量,又不能登陆太阳的时候,该怎么办?

(学生3)那只能通过找环绕太阳运动的天体,比如水星、地球等都可以.

(教师)将天体的运动近似看成匀速圆周运动,其所需的向心力都来自于万有引力,然后结合向心力公式,根据题中所给的出的条件,选择适当的形式进行分析和求解．

基于核心素养的设计评述： 物理观念及应用,让学生重新建构知识,重演重要物理规律的发现过程,对学生深刻理解物理规律、领悟规律发现过程中所用巧妙的方法,体验探索和发现的喜悦．通过这样的教学设计,一方面引入环绕法求天体质量的思路和该方法的条件,同时区别环绕法和代换法的区别．

图2

计算太阳质量,环绕天体不同,最后计算求得太阳质量知否会不同?

(学生)不同行星与太阳的距离r和绕太阳公转的周期T都是各不相同的．但是不同行星的r、T计算出来的太阳质量必须是一样的,由开普勒第三定律,得出结果:

那么不同行星的r、T计算出来的太阳质量是一样的．

基于核心素养的设计评述：关注问题思辨和知识,要努力创设问题情境,鼓励学生大胆质疑,积极参与课堂讨论,体验开普勒第三定律的意义．

2.2 计算天体密度

(教师)对于未知天体,我们知道质量后,我们更想了解该星体的物质构成、是否适宜生命出现等,这个时候我们需要测量哪些物理量?

(学生)温度、密度、大气构成……

(教师)未知星体平均密度如何表示呢?

(教师)这里的R,r能约吗?如果不能那什么情况可以约?

(学生)不能,R为星体半径,r为轨道半径,当环绕天体近地贴地飞行的时候,两者才相同．

基于核心素养的设计评述：关注学习效果和问题的思辨,在质疑论证中落实知识,明确星球平均密度计算的物理意义,以及注意轨道半径和星球半径的区别．

2.3 发现未知天体

(教师)引导学生深入探究:应用万有引力定律除可估算天体质量外,还可以在天文学上有何应用?人们是怎样应用万有引力定律来发现未知天体的?

学生活动1:讨论并发表见解．

人们在长期的观察中发现天王星的实际运动轨道与应用万有引力定律计算出的轨道总存在一定的偏差,所以怀疑在天王星周围还可能存在有行星,然后应用万有引力定律,结合对天王星的观测资料,便计算出了另一颗行星的轨道,进而在计算的位置观察新的行星．

学生活动2:天文望远镜介绍,以及通过天文望远镜观测月球表面．

基于核心素养的设计评述：关于实践体验和学生学习趣乐,通过发现未知星体内容的教学,培养学生的科学态度和责任,伟人的足迹,会激励、影响学生的人生,逐步形成科学态度、科学精神;通过天文望远镜的实践体验,让学生体会科学奥秘的探究就从身边点滴做起．

2.4 承上启下,深化万有引力定律在航天方面的应用

2013年6月11日神舟十号飞船发射升空,这是中国的第十艘太空飞船,也是中国第五艘载人飞船,与天宫一号进行交会对接成功,标志着中国空间飞行器交会对接技术的成熟．

(模型展示)这是神舟十号飞船搭载长征二号F改进型运载火箭的模型,从上到下分别为逃逸塔,飞船主体(推进舱、返回舱、轨道舱及附加部分构成),下面我们一起跟随视频来回顾下整个发射过程．

(视频播放)

基于核心素养的设计评述：关注实践体验,通过物理学中与学生生活联系密切的事例,使他们认识到生活中处处有物理现象,物理与生活息息相关,增加学生对物理学科的亲切感,激发他们学习物理的兴趣,同时为下一节课做好引导．