例谈《万有引力与航天》中的物理学史教学

夏敏

摘要：著名哲学家马赫认为：物理学史的教学是对学生进行富有成效的科学教学的一种辅助手段。在教学过程中，教师应通过物理学史知识来引导学生思考，顺应解决物理问题的逻辑和学生的思考逻辑来展开，构建完整的“引力与航天”知识结构，逐步深化学生对“万有引力与航天”内容的理解。

关键词：物理学史教学;万有引力与航天;教学分析

中图分类号：G633.7文献标识码：A     文章编号：1992-7711（2019）19-034-1

物理学是研究物体的基本運动规律和物质的基本结构的一门科学，物理学知识起源于自然现象之中，其中包含复杂的物理概念和物理规律。在物理教学中，部分高中生感觉物理难学、难懂，更难以应用。例如，笔者在对人教版必修2第六章《万有引力与航天》这一章节的教学调查时发现，很多学生对这一章难以理解，甚至脑袋一片空白。究其原因，一方面是圆周运动的基础知识掌握不牢固，另一方面是知识点和公式在学生头脑中过于零散，并没有形成有效的知识结构。

为了解决学生难以理解的问题，笔者在此章节进行了适当的物理学史知识渗透，以降低教学难度，激发学生兴趣，帮助学生逐渐在头脑中形成物质结构及物质运动整体上的物理图景，加深学生对物理概念的理解和对规律的掌握。

在以下内容中，本文从行星的运动、万有引力定律、万有引力理论的成就、宇宙航行、经典力学的局限性这几部分内容来说明物理学史的教学过程，并且对教师自身的要求做一些说明。

在“行星的运动”上课前，笔者可以首先介绍一些相关的物理学史知识来引入新课。比如：“地心说”和“日心说”之争是宇宙发展史上的一个里程碑，提出两个重要人物托勒密和哥白尼，两种观点地心说和日心说。随着科技进步，“日心说”被证明是颠扑不破的真理。明确太阳的地位，指出行星绕太阳的运动是匀速圆周运动的模型。而实际情况是否如此呢？然后引出观测家第谷，十年如一日地对行星的运动做了观测，得出精确度较高的行星观测数据。随后，再引出第谷的学生开普勒对其数据进行整理分析，发现实际行星运动的数据并不如圆周运动那样完美。尤其在这里，老师要加强对于开普勒的生平历史介绍，开普勒的坎坷人生路，开普勒的悲欢离合，加深学生对开普勒的理解和同情，自然而然引出开普勒的伟大成就，即开普勒三大定律。然后再详细介绍开普勒定律的内容和开普勒定律的应用。

太阳和行星之间的引力这节课内容难度较大，难在内容抽象，难在要建立运动模型的思想、要应用牛顿运动定律以及大量的数学推导。单单一节课下来，很多学生听下来云里雾里，不知学习目的，也不知这节内容和其他章节有什么联系。因此，在教学处理上，教师可以将太阳和行星间的引力和万有引力定律的教学合并为一个整体，并且在教学过程中加强物理学史的教育，让学生了解万有引力定律得出的来龙去脉，形成完整的知识结构，构建万有引力定律在整个知识结构中的基础地位。比如在推导完成太阳和行星之间的引力的理论之后，科学家们又提出“什么力使得地面的物体不离开地球？”的问题，那就需要进行月地检验，于是又引出牛顿的苹果，物理学史上被苹果砸中的牛顿对引力的思考，地上的引力与天上的引力是否是统一重力的问题。此时，科学家就必须利用反证法进行思考：假如是同一种力满足平方反比定律，那么在生活中能找到什么作为佐证？于是，科学家们开始求证月亮的数据，利用对月球观测的数据验证平方反比的正确性，最后得出是同一种力，从而得出万有引力定律。

在万有引力定律理论形成的过程中，有个关键人物叫卡文迪许。教师可以用“地球的质量是多少？地球可以用天平来称重吗？”这样的问题引出著名的英国物理学家卡文迪许。卡文迪许说他的实验是称量地球的质量。围绕如何称地球的质量进行理论推导，原来只要知道地面的重力加速度、地球的半径、和引力常量就能计算出地球的质量。当然此方法测量地球质量是有前提条件的，这个条件就是重力等于万有引力。那么，实际是否相等呢？老师引导学生深入思考，分析地球上物体重力与万有引力的关系，得出只有在忽略地球自转的情况下重力才能看做等于万有引力。只能通过此途径测出天体质量吗？再引出运用天体圆周运动的模型来测量天体的质量。当然，发现未知天体的除了卡文迪许还有其他人物，教师还可以介绍亚当斯、勒维耶、伽乐等人在完成万有引力理论方面作出的贡献。

宇宙航行的内容抽象综合能力要求高，切入点还是物理学史曾经牛顿对万有引力定律的设想，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想，抛出的物体速度很大时，物体就不会落回地面。然后理论分析物体不落回地面的最小速度，即物体成为地球卫星的最小发射速度，第一宇宙速度。是否只要满足宇宙速度就能完成卫星的发射呢？再涉及发射速度、环绕速度、三个宇宙速度、几种不同卫星以及卫星的变轨等方面的教学。在此过程中，教师应以历史上牛顿的思考为切入点，结合历史上卫星发射的理论进阶，让学生从头到尾搞清楚什么是宇宙航行，怎么进行宇宙航行。

经典力学的局限性虽然与考试内容关系不大，但也是本章不可缺少的知识构成，不可忽略不计。沿着科学的足迹，从宏观到微观，从弱力到强力，学生可以通过自主学习的形式完成学习。因此，通过环环相扣，《万有引力与航天》这一章节的教学内容就完成了。教师通过对科学历史的介绍，使学生更加明白科学不是坦途，人生不是坦途;作为一个有追求的人，既要心怀美好，也要追求理性;要不惧挑战，更要坚持到底攀登人生高峰。

总之，在物理教学中引入物理学史知识的例子还很多，本文只是以《万有引力与航天》这一章节为例进行了浅析。笔者认为，应用物理学史教学可以激发学生兴趣，帮助学生理解物理知识。作为物理教师，我们需要不断学习不断提升专业水平，有效地将物理学史知识渗透在物理教学之中，以提高教学效率。

（作者单位：南京市天印高级中学，江苏 南京211100）