從“重力加速度”的學習談物理核心素養的培養

張國

【摘要】：通過對物理知識的學習，讓學生從物理的視角解釋自然現象，并能用所學知識并解決生活中的實際問題，是物理學科核心素養的要求。在物理教學中，特別是物理概念教學中要結合學生的智力發展狀況，注意概念的延續性和發展性，通過不斷的提煉和升華，逐步形成完整的知識體系。本文以“重力加速度”知識的學習經歷的4個階段為例，談談物理核心素養的培養。

【關鍵詞】：概念教學 延續性 發展性 科學思維

一、“重力加速度g”第一次在初中教材中是作為一個求重力的常量出現。G=mg，目的是為了辨析重力、質量這兩個概念的含義。

初中學生剛接觸物理學科，還不能從理論上把握各個物理量的含義。在學習“重力”這個概念以前，已經學習了“質量”，教材對“質量”的定義是：物體所含物質的多少叫做質量，如何來理解這個定義中的“物質”，就是一個難點。學生通常會借助生活經驗來體會，日常生活中的“體重”、“重量”的說法，對他學習“重力”，尤其是理解“質量”和“重力”的含義，會形成“負遷移”。此時的“G=mg”中g的學習，是為了讓學生通過“質量”和“重力”的量化關系，清楚地知道“質量”和“重力”是兩個完全不相同的概念。這個階段要強調g的數值和單位，使學生理解物理表達式中的“=”，不僅指數值相等，單位也必須相同。物理是對生活實際的反應，而不僅僅是數學運算。對于g的物理意義、方向以及大小隨緯度的變化等相關知識，由于超出了學生的理解程度，初中階段都不需要涉及。

二、通過實驗測出自由落體運動的加速度，證明物體下落的快慢與輕重（質量）無關：

高中物理（必修）以運動為主線，在學生已經知道“勻變速直線運動”是“加速度”不變的直線運動，勻變速運動的位移（x）、時間（t）、速度（v）等運動學量之間的關系都清楚之后，“自由落體運動”作為一個簡單（特殊）的直線運動來研究。通過實驗，可以測得該運動的加速度數值為9.8m/s2。實驗是可以在不同地方反復做的，學生動手做過以后，就可以比較輕松接受“地球上不同的地方，g的大小是不同的”這個結論，教材上的列表數據表明地球上不同緯度處的g是不同的。這時思維活躍的學生就可以提出兩個問題：為什么g的數值和重力常數的數值是一樣的；g的數值會隨著緯度的增加而增大。進而引導學生思考“自由落體運動的加速度、物體的重力、地球的自轉”一定有關聯，這就為后面萬有引力的學習埋下了伏筆。

三、利用萬有引力定律推導星球表面上g的數值，理解g的數值隨緯度的增加而變大的原因

根據牛頓的萬有引力定律：放在地球表面上的物體受到地球的引力為F引=GMm/R2 ，物體隨地球自轉需要的向心力為mω2r。把萬有引力分解，一個分力提供物體隨地球自轉需要的向心力，另一個分力使物體壓緊地面，這個分力就是我們所說的“重力”。在地球上不同緯度的地球表面上的物體，隨地球自轉做圓周運動的角速度是相同的，半徑是不同的。隨著緯度的增加F向不斷減小，重力mg相應增加。這就解釋了g的數值隨緯度的增加而變大的原因。

取地球赤道上的物體m（如圖），有F萬=mg+F向，即GMm/R2 =mg+m（2π/T）2R，地球的自轉周期為T=24h，地球半徑為R=6400km，代入得：（2π/T）2R=3.4×10-3g ，也就是向心力mω2r占萬有引力的千分之三多，可以忽略地球的自轉效果，有GM/R2=g。即星球表面的g是由星球的質量M和半徑R決定的，推廣得到：由于不同星球（如月球、火星）的質量M和半徑R不同，星球表面的g就不相同。如：月球的質量是7.35×1022kg，半徑為1738km，則有g月=GM/R2=1.62m/s2。我們在電視畫面上看到，宇航員雖然身穿厚重的宇航服，仍然較為靈活，是因為宇航服在月球上的重力大概是地球上的六分之一。

物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度，叫做第一宇宙速度，由mg= （mV2）/R，得第一宇宙速度V=，因為不同星球的半徑和表面的g不同，其第一宇宙速度也不相同。也就是說，在火星表面發射火星衛星就比地球上發射地球衛星容易。經過這樣的分析和推理過程，學生對宇宙中星體的運動、黑洞等相關知識就有了較為完整的認識。

四、伽利略對自由落體運動的研究過程，體現了培養學生“科學思維”能力的重要性。

“科學思維”是用物理的視角來認識客觀事物的本質屬性和內在規律，是學生解決實際問題的關鍵能力。在“伽利略對自由落體運動的研究”過程中，由于伽利略時代的計時工具還不能測量自由落體運動所用的時間。他采用讓銅球沿阻力很小的斜面滾下，銅球沿斜面運動的加速度很小，運動時間較長，這樣就解決了時間測量的問題。現在我們用牛頓第二定律分析，物體沿光滑斜面下滑的加速度a=gsinθ，隨著θ增大到90°，物體的加速度也逐漸變為a=g。用銅球從不同傾角的斜面上運動的特征來推得自由落體運動的規律，這種以邏輯推理和實驗相結合來解決問題的方法，正是物理學科要培養的核心素養。

最新版的《物理課程標準》指出：高中物理是普通高中自然科學領域的一門基礎學科，目的是為學生的終身發展奠基，促進人類科學事業的傳承和社會的發展。高中學生的生活經驗貧乏，物理知識不成體系，邏輯思維能力薄弱，在實際教學過程中，我們要注意從學生的最近發展區入手，結合知識的延續性，關注學生能力的發展性，引領學生深入探究過程，體會科學研究方法、養成科學的思維習慣。

【參考文獻】：

【1】《普通高中物理課程標準》（2017年版）：人民教育出版社

【2】2017年版義務教育教科書《物理》八年級下冊：江蘇鳳凰科學技術出版社

【3】普通高中課程標準試驗教科書《物理必修2》：人民教育出版社