由萬有引力定律淺談高中物理核心素養(yǎng)

宗游

摘要：本文從課程標(biāo)準(zhǔn)和核心素養(yǎng)出發(fā)，以萬有引力定律為載體，闡述高中物理教學(xué)如何滲透核心素養(yǎng)，以及對(duì)于學(xué)生思維上的影響。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)? 萬有引力定律? 物理思維

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)提出，要從物理視角對(duì)客觀實(shí)物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律和相互作用關(guān)系形成認(rèn)知，能夠基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建相應(yīng)的物理理想模型，進(jìn)行分析綜合、推理論證，并通過實(shí)驗(yàn)探究形成學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。而在教學(xué)過程中，大多數(shù)教師生硬地給出規(guī)律，局限于不斷重復(fù)訓(xùn)練以應(yīng)對(duì)考試，并未使學(xué)生形成良好的科學(xué)思維習(xí)慣。

本文將以萬有引力定律為例，在物理學(xué)史的滲透，問題意識(shí)的樹立，科學(xué)思維和科學(xué)責(zé)任的培養(yǎng)等方面進(jìn)行探討，簡(jiǎn)述在教學(xué)過程中的具體操作。

一、重溫科學(xué)腳步，體會(huì)堅(jiān)持不懈的求真精神

在古代，人們對(duì)宇宙的認(rèn)知是有局限的，其中以地心說和日心說最具代表性。地心說認(rèn)為地球?yàn)橛钪娴闹行模磺刑祗w均圍繞地球旋轉(zhuǎn)，這無疑和教皇的統(tǒng)治思想是一致的。直至哥白尼提出日心說，認(rèn)為太陽是宇宙的中心，否認(rèn)具有宗教背景的地心說，實(shí)現(xiàn)了天文學(xué)上思想的突破。意大利學(xué)者布魯諾更以生命的代價(jià)公開支持日心說，被燒死在了羅馬的鮮花廣場(chǎng)。而德國(guó)天文學(xué)家開普勒用了20年的時(shí)間研究了第谷的觀測(cè)記錄，又通過長(zhǎng)達(dá)4年的計(jì)算，否定了19種假設(shè)，才把天體位置測(cè)量的誤差由10′減少到2′，得出行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道為橢圓，進(jìn)而總結(jié)歸納出開普勒三大定律，為人們研究宇宙創(chuàng)造了條件。人類對(duì)宇宙的探索一直沒有停歇，牛頓在胡克、哈雷、笛卡爾等前人研究的基礎(chǔ)上逐步揭示了萬有引力定律，真正開啟宇宙探索之門。這樣一個(gè)漫長(zhǎng)、曲折的歷史發(fā)展過程就像一部電影映入學(xué)生眼簾，科學(xué)真理的得出來之不易，真理的發(fā)現(xiàn)過程更是艱辛。無數(shù)科學(xué)家耗盡畢生心血，甚至付出了生命的代價(jià)，都是為了真理鮮花的盛開之美。學(xué)生在以后的人生道路中，必然會(huì)遇到很多的問題，良好的品格、頑強(qiáng)的信心、堅(jiān)忍的個(gè)性對(duì)于學(xué)生是非常重要的。通過這些史實(shí)培養(yǎng)起學(xué)生對(duì)于科學(xué)探究的堅(jiān)持不懈的精神，而這種精神不僅存在于物理學(xué)科，它是可以影響學(xué)生一生的寶貴品質(zhì)！

二、樹立問題意識(shí)，從物理視角觀察生活情境

對(duì)于牛頓的認(rèn)識(shí)，學(xué)生大多是由蘋果落地開始的，正是這樣一位對(duì)物理規(guī)律的普適性極為敏感的大科學(xué)家，主導(dǎo)了人類科學(xué)史上又一次偉大的變革。細(xì)致的觀察，敏銳的問題意識(shí)，體現(xiàn)出探究絕不只是坐在課堂之中。而學(xué)生很多時(shí)候會(huì)把知識(shí)學(xué)習(xí)和生活嚴(yán)格地分隔開來，離開了書桌就等于結(jié)束了學(xué)習(xí)，對(duì)于身邊發(fā)生的物理現(xiàn)象視而不見。其實(shí)不然，物理規(guī)律是具有極強(qiáng)的普適性的，小到班級(jí)里風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)、粉筆字的書寫、騎車回家的過程，大到飛機(jī)、航母、航天飛船的設(shè)計(jì)使用，無疑都與物理規(guī)律密切相關(guān)。所以，了解牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律過程，可以讓學(xué)生養(yǎng)成把生活情景和物理規(guī)律聯(lián)系起來的良好習(xí)慣，這也正是物理核心素養(yǎng)的體現(xiàn)。

一般來說，物理問題的研究過程一般需要經(jīng)過提出問題、分析假設(shè)、驗(yàn)證修正、解決問題這幾個(gè)階段，其中提出問題是起點(diǎn)，也是重點(diǎn)。此時(shí)教師應(yīng)該組織學(xué)生進(jìn)行充分的討論，發(fā)現(xiàn)問題所在，即蘋果會(huì)下落，那么月球是不是也會(huì)下落呢？既然月球圍繞著地球做圓周運(yùn)動(dòng)，那么月球繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力和使蘋果下落的力是不是同一種性質(zhì)的力呢？敢于發(fā)問，善于發(fā)問，是形成科學(xué)探究品質(zhì)的保障。

三、層層深入，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究思維和實(shí)驗(yàn)探究習(xí)慣

問題提出后必須經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的論證，最終才形成科學(xué)結(jié)論。在萬有引力定律的思考過程中，讓學(xué)生結(jié)合開普勒第一、第二定律，首先得出太陽和行星之間的引力表達(dá)公式：F∝Mmr2，進(jìn)而整理為F=GMmr2。但是這里的公式僅僅代表太陽和行星之間的引力大小，絕不能稱其為“萬有引力”，這從第二節(jié)和第三節(jié)的標(biāo)題中也可以發(fā)現(xiàn)。所以牛頓進(jìn)行了“月—地檢驗(yàn)”這樣一個(gè)富有創(chuàng)造性的推理實(shí)驗(yàn)。要檢驗(yàn)什么？如何去檢驗(yàn)？清晰的思路，逐步去完善科學(xué)探究，并且結(jié)合物理特有的理想模型進(jìn)行思考。

牛頓假設(shè)存在一個(gè)小月球，它離地面的距離約為地球最高峰的高度，并圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，那么小月球具有的向心力和使地球表面的蘋果自由下落的重力應(yīng)該是同一種性質(zhì)的力。假如小月球的運(yùn)動(dòng)突然停止，那么它應(yīng)與山頂?shù)钠渌矬w保持相同速度下落。但若向心力來源不為重力，那么兩種力作用之下，其速度會(huì)變得更大，顯然與我們的生活經(jīng)驗(yàn)相違背。解讀牛頓的科學(xué)探究過程，讓學(xué)生牛頓的思想在學(xué)生頭腦中逐步深化、建立物理模型，并且形成系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究思路，滲透核心素養(yǎng)品質(zhì)。學(xué)生在這個(gè)過程之中能夠體會(huì)物理的學(xué)科方法在構(gòu)建物理規(guī)律中的重要作用，認(rèn)識(shí)到解決問題的基本路徑，從而在后續(xù)的學(xué)習(xí)中能夠更好地自主學(xué)習(xí)。

四、真理要經(jīng)得起檢驗(yàn)，科學(xué)負(fù)有責(zé)任感

科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的培養(yǎng)也是物理教學(xué)重要的教學(xué)目標(biāo)，做學(xué)問首先要做人，做一個(gè)對(duì)自然有敬畏心、對(duì)真理有探索欲、對(duì)社會(huì)有責(zé)任感的人，在日常教學(xué)中完善對(duì)學(xué)生的德育是培養(yǎng)合格人才的基本途徑之一。

從對(duì)本校教師的訪談中可以看到，大部分教師對(duì)萬有引力定律的推導(dǎo)使用了向心力方程與動(dòng)力學(xué)方程。而在當(dāng)年萬有引力定律得出時(shí)，牛頓是在橢圓軌道的情形下通過開普勒第三定律，從離心力定律演化出的向心力定律和數(shù)學(xué)上的極限思想或微積分概念，才用幾何方法證明的。真實(shí)的天體運(yùn)動(dòng)畢竟不是勻速圓周理想化模型，從這里也可以看出牛頓對(duì)于科學(xué)結(jié)論的求真精神。依照牛頓的萬有引力定律推算結(jié)果，行星是圍繞著太陽沿橢圓軌道做周期性運(yùn)動(dòng)。但是，天文觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象卻有所不同，某些行星的真實(shí)軌道并不是嚴(yán)格的橢圓，它們的近日點(diǎn)在不斷地進(jìn)動(dòng)，這樣牛頓的萬有引力定律就不適用了。

直至牛頓逝世后的71年，才由英國(guó)科學(xué)家卡文迪許測(cè)量出了G的數(shù)值，獨(dú)立發(fā)明的扭秤實(shí)驗(yàn)、無法絕對(duì)無視其他物體質(zhì)量干擾、作用力微弱到幾乎無法發(fā)現(xiàn)，這一系列的問題都為G值的測(cè)量增加了不少難度，并且隨著科學(xué)發(fā)展，G值也在一次次不斷地修正。通過這樣的事實(shí)，讓學(xué)生感受到任何規(guī)律絕對(duì)都不是簡(jiǎn)單地證明出來就算結(jié)束，科學(xué)家們對(duì)于科學(xué)結(jié)論得出時(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和責(zé)任感是讓人敬畏的。做學(xué)問如此，做人更應(yīng)如此！

五、小結(jié)

萬有引力定律是曲線運(yùn)動(dòng)的重要章節(jié)，在課程設(shè)置中，對(duì)于學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀和宇宙觀有重要的作用。經(jīng)過系統(tǒng)化的學(xué)科訓(xùn)練，學(xué)生應(yīng)該在在培養(yǎng)物理思維、開闊人生視野、提升學(xué)科素養(yǎng)等方面有長(zhǎng)足的進(jìn)步，最終成長(zhǎng)為一個(gè)具有可持續(xù)發(fā)展能力的人，一個(gè)符合新時(shí)代育人標(biāo)準(zhǔn)的人。這要求教師要努力做好自身發(fā)展，在工作中堅(jiān)持學(xué)習(xí)，在課堂教學(xué)中也不只進(jìn)行片面的物理知識(shí)性教學(xué)，課程標(biāo)準(zhǔn)指出，全面提升學(xué)生的素質(zhì)、思維、能力是新時(shí)代的育人標(biāo)準(zhǔn)。如果學(xué)生在后期的大學(xué)學(xué)習(xí)中選擇了非物理專業(yè)，那么我們從初中到高中，這樣五年的物理教學(xué)就沒有意義了嗎？學(xué)生獲得的這些物理規(guī)律、物理思維方法是不是也沒有意義了？不然！或許定理已經(jīng)不再被提及，但是物理邏輯推理的方法一定是學(xué)生終身受益的！物理的學(xué)科思維必然會(huì)成為學(xué)生主體思維的重要組成部分。學(xué)生領(lǐng)悟到的是物理思想，又不止于物理思想。

參考文獻(xiàn)：

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