高中物理教學中萬有引力作用下天體的運動問題

王久平

摘 要：物理在高中教學中是一門非常重要的學科，而且是學生學習的難點，尤其是萬有引力作用下天體的運動問題的學習，看似簡單實則不易。本文主要是論述這一知識點的主要內容及應用技巧，希望可以為高中生提供參考意見。

關鍵詞：高中物理;萬有引力;天體;運動

根據開普勒第一定律：所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在所有橢圓的一個焦點上。如果把行星繞太陽的運動近似看成是圓周運動，那么行星的運動就是勻速圓周運動，由萬有引力定律可知是太陽對行星的萬有引力提供行星做勻速圓周運動的向心力。其實大多數天體的運動都可以看成是勻速圓周運動，是另一個天體對他的萬有引力提供向心力。

萬有引力定律：宇宙間的一切物體都是相互吸引的，兩個物體間的引力大小，跟它們的質量的乘積成正比，跟它們的距離的平方成反比.

亞里士多德指出，思維自驚奇和疑問開始。以“驚奇”為誘因設計課堂，創設動人心弦的情境，把學生的口、眼、手、心等各種器官都充分調動起來，使學生“驚之以心，動之以情，發之以問，曉之以理”。例如在萬有引力的教學中可以設問：我們知道月球繞著地球轉，那么它為什么要繞著地球轉而吧飛走呢？學生自然答：因為地球對月球有引力。對，正是地球對月球的萬有引力提供了月球繞地球做圓周運動的向心力。這正是我們解決圓周運動問題的基本思想，即通過對運動問題的分析明確是什么力提供物體做圓周運動的向心力。然后建立方程解答相關問題。

例：近年來，人類發射的多枚火星探測器已經相繼在火星上著陸，正在進行著激動人心的科學探究，為我們將來登上火星、開發和利用火星資源奠定了堅實的基礎.如果火星探測器環繞火星做“近地”勻速圓周運動，并測得該運動的周期為T，則火星的平均密度ρ的表達式為（k為某個常數）（）

萬有引力作用下天體的運動問題中學生學習的時候需要萬有引力提供向心力入手。首先要集中于這一知識點的基本概念的回憶和思想的形成，并了解天體運動的規律。然后理解題目中所包含的規律并學會靈活運用公式，在向心力公式中根據題目給的已知條件選擇合適的公式計算。只有將這些基本的功課做好之后才有可能對解答題目有所幫助。就萬有引力作用下天體的運動這一知識點的具體內容來看，存在一部分的學生在學習的時候不擅長理解天體運動規律，不知如何建立方程，不能從理論的角度推導計算萬有引力提供向心力問題的公式變形及數據計算。因此會增加學習難度。

例：某航天飛機在地球赤道上空飛行，軌道半徑為r，飛行方向與地球的自轉方向相同，設地球的自轉角速度為ω0，地球半徑為R，地球表面重力加速度為g，在某時刻航天飛機通過赤道上某建筑物的上方，求它下次通過該建筑物上方所需的時間。

這個問題的解答就是要引導學生先去分析航天飛機飛行的過程中做的是什么運動？是什么力提供航天飛機做圓周運動的向心力？再分析航天飛機飛行過程中與地球自轉有什么關系，建立? ? ? 或者? ? ?以及? ? 黃金代換公式? ? ?即可求解本題。作為一個中學物理教師，不光要講正確、講清楚物理內容，更重要的是要傳授物理知識所賴以產生的科學方法以及解決問題的基本思路、方法、技巧和思想。從知識到理論的形成、從理論到物理思想的形成等都是物理教學與學習中逐步完善的一整套思想方法。也是研究問題時所運用的的極為有效的思想方法，這些思想方法的傳授和學習，只有緊密地與現代航天科技結合起來，才不流于形式，成為空洞無物的條款堆積，而是有聲有色的活例：這說明科學的方法直接體現出科學思維的重要性，而科學的預見來源于科學思維。顯然，運用萬有引力定律解決天體運動問題的研究方法是解決天體運動問題的基本方法也是解決圓周運動的基本思想，這為培養學生養成積極正確的思考解決問題提供了啟迪。