高中物理天體運動中的迷思探究

汪力

摘?要：本文從建構主義理論入手，分析了學生在解決萬有引力定律問題中的迷思概念和規律，給出了教材編制和教師觀念方面的建議，有利于改進教學和提升學習效率.

關鍵詞：迷思概念;萬有引力定律;勻速圓周運動;天體運動

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2020）22-0085-02

由于缺少實際的感性體驗和客觀存在的觀察障礙，以及空間結構本身具有的運動性和大尺度等特點，導致學生在學習天體運動時對空間觀念的建構產生各類“迷思概念”（Misconceptions），即學生在學習科學概念之前已具有的直覺知識與科學知識不符的概念.只有真正調查清楚學生在天體運動中有哪些具體的迷思概念，才能讓學生在這種抽象的科學思維下建構正確的“科學概念”，才能更加有效的提升學生運用天體運動規律解決問題的能力.為此，筆者對存在于學生中關于天體運動的迷思概念進行了調查研究.

一、天體運動中的迷思概念

1.萬有引力和重力間的迷思概念

（1）學生在初中階段接觸重力的定義，調查發現初中的試題導向以及教師在教授過程中會強調以下三點：一是強調“由于吸引而產生”的因果關系，為后期的高中階段學習進行鋪墊，二是強調重力的數值與地球吸引力一般不相等，三是強調方向是豎直向下，不是垂直向下.以上問題由于學生知識能力的限制，在初中階段得不到合理的解釋，只能通過訓練來強化記憶.當學生進入高中階段，能夠理解重力是萬有引力的分力，但由于學生一直是在地球上研究問題，已經習慣了身邊的空間尺度以及對水平面的直觀理解（如圖1所示）.而現在需要在更大的空間尺度上（如圖2所示）進行研究，但是在圖2中，學生無法根據現有知識區分水平面、豎直向下、該點的切線方向、指向圓心的方向、垂直向下等方向，無法在兩幅圖中找到初高中對于重力在不同空間尺度下的聯系.根據構建主義理論，學生無法將新知識與已經獲得的經驗進行同化，這是形成概念迷思的重要因素.

（2）在受力分析方面，由于學生空間思維能力以及空間尺度變化后的相互切換能力差，在圖2的空間尺度下，學生很容易漏分析支持力，這也是為什么學生分不清赤道上的物體和近地衛星兩者的線速度等物理量的比較關系.其次，教材中首先是從天體運動開始引入，萬有引力的大小和方向與重力相同，在運算中相互替代，所以在分析赤道上的物體跟隨地球自轉的題目時，學生一方面習慣了地球是慣性系的這種錯覺，得出重力等于支持力的方程，一方面考慮到地球自轉的勻速圓周運動，得出萬有引力充當向心力，誤認為兩個方程各自成立，也是將隨地球自轉物體的運動速度錯算成第一宇宙速度的原因.

例題：同步衛星離地心的距離為r，運行速率為v1，加速度為a1;地球赤道上的物體隨地球自轉的向心加速度為a2，第一宇宙速度為v2，地球的半徑為R，則下列比值正確的是（ ）.

A.a1a2=R2r2B.a1a2=rR

C.v1v2=RrD.v1v2=Rr

錯解?學生在思考本道題過程中容易犯思維定勢的錯誤，對同步衛星、赤道上隨地球自轉物體和以第一宇宙速度運行的衛星均用公式Gm1m2r2=m1a=m1v2r進行分析.

點評?本題中的同步衛星和以第一宇宙速度運行的衛星滿足萬有引力充當向心力的規律，運用公式Gm1m2r2=m2a=m2v2r進行運算，得到v=Gm1r，所以v1v2=Rr;而赤道上隨地球自轉的物體除了受到萬有引力的作用外，還受到地面對它的支持力的作用，兩者的合力充當物體做勻速圓周運動的向心力，需要運用公式Gm1m2r2-N=m2a=m2v2r運算，題給條件無法通過這個方程求解，但是赤道上隨地球自轉物體與同步衛星的共同特點是轉動角速度相同，可以運用公式a=rω2進行比較，故a1a2=rR.

2.兩個距離間的迷思概念

人們對于相近或相似的東西，總是容易混淆，比如我們在語言的學習中，不可避免地發現有些語言在發音、字形或者文法上十分相似，這給我們在學習過程中帶來了許多疑惑和困難，尤其是對于剛開始系統學習語言的學生，無疑是增加了不小的難度.

粵教版、人教版、教科版三種版本出版的《普通高中課程標準實驗教科書·必修·物理2》教材中對萬有引力定律的定義均用r或R表示兩物體間的距離或者兩質量分布均勻的球體球心間距離.以上三種教材中對向心力的定義亦是用r或R表示物體做圓周運動時圓軌道的半徑.萬有引力定律和向心力隸屬于兩個完全不同的系統，當它們出現在同一種物理環境中時，表示不同含義的相同符號將會嚴重影響學生的辨別能力，引起針對符號概念本身的迷思觀點.

以衛星運動為例，教材中的大量例題和練習都是衛星圍繞中心天體的勻速圓周運動模型，所以雙星系統和多星系統的題目出現時，學生的錯誤率非常高.主要原因就是把萬有引力定律中的距離和衛星圓周運動的軌道半徑當成同一個物理量帶入方程運算.類似的例子還比如電動勢E和電場強度E在含容電路中也經常被混淆.

二、迷思概念轉變的建議

1.教材編制

建構主義理論作為我國基礎教育課程改革的重要理論基礎，其思想在教科書中應該有所體現.教科書在教學中占有極為重要的地位，它不僅是教師教學時的依據，也是學生獲取知識的主要來源之一.因此，教科書在編制過程中不僅要符合課程的要求，還要充分考慮學生的已有知識和經驗，力求轉變學生錯誤的前概念.建構主義學習觀認為學習是在學生已有的知識和經驗的基礎上進行的，已有的經驗往往使學生形成了前概念.對于學生錯誤的前概念，如果不能及時予以糾正，將會影響學生對新知識的同化和順應，從而阻礙學生的學習.針對那些容易使學生產生迷思概念的主題或者多數學生含有迷思概念的主題，有必要在教科書的編制過程中引入概念轉變的思想引導教學.

2.教師觀念

《標準》要求：教科書應為學生的自主發展創造條件，教師應該努力促進學教科書的直接聯系，在教師的影響下，發展和豐富學習的內容，從而使學生真正成為學習活動的主人，進入自主學習的境界.這就要求教師要在觀念上進行轉變.教師首先要重視迷思概念，認識到迷思概念的存在，要充分地了解學生已有的迷思概念，把學生現有知識經驗作為新知識的生長點，引導學生從原有的知識經驗中建構出新的知識.

參考文獻：

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