發現“萬有引力”，發展物理思維能力

張峰

隨著我國航空航天事業的繁榮發展，“神舟”系列飛船的不斷成功升空，學生在一次一次緊張的發射直播中感同身受，為祖國的偉大而振奮，同時，對頭頂那片浩瀚的天空也充滿了好奇。人教版高中物理必修二第六章《萬有引力與航天》一章中，教材詳細的介紹了行星的運動、太陽與行星之間的引力等，這些運動和力的作用都離不開“萬有引力”的作用。那么，在這樣的時代背景下，老師可以在課堂上帶領學生去發現星空中的“萬有引力”，同時，在這個過程中也鍛煉了學生的物理思維能力。

一、大膽猜想，放飛想象

對陌生事物認識的第一步便是大膽猜想。在想象力的不斷豐富與發展的幫助下，會一步一步的揭開未知事物的神秘面紗。萬有引力，這個只有在航空航天中才用到的物理原理，對于高中階段的學生而言，是熟悉且陌生的。那么，在課堂上老師第一步便是鼓勵學生去大膽的猜想，放飛自己的想象力，去推開發現“萬有引力”的大門。

萬有引力的提出，是源自于非常著名的“牛頓蘋果樹”的實驗。在課堂上，老師向學生提出第一個問題：“為什么蘋果會落在地面上？”這樣的問題。引導學生去朝向萬有引力的方向去思考。那么，蘋果最終掉落在地上，就好像地面有一種力去“吸引”蘋果落下。那么第二個問題：這種“吸引”是如何產生的？第二個問題便指引同學去更加深入的思考這種吸引力產生的原因。這時，老師也可以提醒學生去思考為什么每個人從原地跳起以后還會落回地面，那么，人落地的力和蘋果落地的力是不是同樣的一種力？那么，如果將思考的范圍更加擴大，第三個問題：月球繞著地球轉動、地球繞著太陽轉動，那么維持轉動的力是怎樣的一種力？這三個問題，從小到大，由具體到抽象，在三個不同的層面上都將問題的關鍵劃歸在“萬有引力”之中。通過學生的猜想，首先對萬有引力有了一個概念上的理解。

通過蘋果下落、物體自由落體的一些物理情景的模擬，來點撥學生通過這些非常常見的例子去遐想，進而去發現萬有引力，激發了學生的興趣和想象力。

二、定量計算，推導檢驗

猜想過后的第二步，就是對發現的物理現象進行嚴謹細實的計算，通過科學的推導，最終來檢驗結論的正確性。這是所有物理過程的必經過程，那么，萬有引力的推導以及引力定律的應用，都需要檢驗其猜想的合理性。這樣的推導過程，也是高中階段學生必須要掌握的能力。

在猜想階段中，月亮圍繞地球轉，地球繞著太陽轉，這樣的轉動可以用引力定律來完美解釋。例如：月亮繞著地球做勻速圓周運動，地球半徑是月球軌道半徑R的60倍，設地球的質量為M，月球質量為m，那么，根據萬有引力定律，回答三個問題（1）月球做什么運動，符合什么規律？（2）物體在地球附近受到的地球吸引力的表達式是什么？（3）計算月球的加速度與地球表面加速度G的關系。學生在進行謹慎的驗證時，首先從教材中的圖片可以觀察到（1）月球做的是近似的勻速圓周運動，其運動的軌跡符合圓周的特性，故可以用勻速圓周運動來計算其特性。（2）設物體質量為m1，那么，根據萬有引力定律，可知其自身重力和地球對其的萬有引力相等，即：G=m1g=G 。

（3）對于月球而言，F月=G

=ma月

對于地球而言，F地=G =ma地

那么， ，其中，a地=g，既地球的重力加速度遠遠大于月球的重力加速度，那也就是為什么宇航員在月球表面看似“飄”在空中的原因。

在相應的情境創設中，給學生開啟定量計算的環境，通過嚴謹細實的推導，來檢驗猜想的正確性，增強學生的過程推導能力。

三、實踐探索，估算比較

當猜想得到證實以后，最重要的是將理論融入實踐，去驗證定律的科學性。進行實踐探索時，采用估算對比的方法，可以加大實例的說服性，更加直接的證明定律。對于萬有引力定律來說，也是這樣的。

老師在課堂上，可以通過小實驗的方式來驗證定律：抽兩名同學，首先兩人靠攏，然后離開，讓同學感受兩人之間是否存在引力的作用。實驗驗證，兩人并沒有感受到任何的感覺。那么，萬有引力定律難道不適用了么？這時，假設兩名同學質量均為50kg，之間的距離為1m，根據萬有引力定律，可得

F=G ≈1.7×10-7N

可知二者之間的萬有引力特別小，所以二人沒有感受到任何感覺是非常正常的。

已知地球質量與地球半徑（常量），那么，其中一位同學和地球之間的萬有引力，可得

F=G ≈493N

已知g=9.8m/s2，那么其中一位同學的重力G=mg=490N，即G

學生課堂活動的意義在于增加課堂趣味性的同時創設物理情景，在物理情景中學生進行了估算和比較，更加加深了對定律的理解。

在大膽假設、定量計算、實踐探索三步后，“萬有引力”這個神秘的宇宙之子通過老師和學生的共同努力，最終揭開了他神秘的面紗。不論在地球上的物體，還是在外太空中的行星，都沒有逃過萬有引力的“吸引”，而在物理的教學中，三步走的教學原則培養了學生的概括總結能力，同時也加強彼此之間的交流、評估和協作。

（作者單位：江蘇省栟茶高級中學）