從"重力加速度"的學習談物理核心素養的培養

張國 江蘇省蘇州實驗中學 江蘇蘇州 215000

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=3.4X10-3g ,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7.35X1022kg,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.