《万有引力定律》教学实效性研究

2015-01-12方文川黄书鹏

物理教学探讨 2014年7期

关键词：物理模型教学实效性物理教学

方文川+黄书鹏

摘要：科学探究的实效性研究，在教学上集中体现在课堂教学的实效性研究上。以问题为线索，以物理模型为切入点是提高教学实效性的有效方法。本文以《万有引力定律》一章教学为例，分析了教材和学生特点及教学实施方案，以研究教学的实效性。

关键词：教学实效性；物理教学；物理模型

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）7（S）-0012-4

如何提高教学的实效性，这是摆在广大教师面前的新课题，也是课改中要解决的重要课题。就这一问题，仁者见仁，智者见智。下面结合《万有引力定律》一章的教学，谈谈笔者的一点思考和实践。

1 教材特点与学生状况分析

要提高课堂教学的实效性，就必须对教材和学生双方进行分析了解，才能做到有的放矢。

1.1 教材特点

《万有引力定律》一章属经典力学范畴，联系当今高新科技知识紧密。本章分成三节课，从内容上看，除开普勒定律和牛顿万有引力定律是新知识点外，其它的都是上一章圆周运动知识的应用。本章重点是牛顿万有引力定律及应用。尽管新知识重点只有一个，但结合圆周运动形成的公式却不少，给学生学习带来较大困难。尤其是学生在不深刻了解物理知识和规律的情况下，经常会乱用物理公式而出错。

其二，万有引力定律应用于天体问题上时，很大部分是研究人造卫星问题。仔细分析可以看到重点又在卫星的轨道和速度两个问题上。这就指出了教学的重点：一卫星的各种可行轨道及变轨问题；二卫星的发射速度和运行速度及变速方法。

1.2 学生状况分析

随着重点中学的扩招，同班级学生知识与智力水平参差不齐。再加上初中物理教材科普常识化及教学评价等种种原因，使得大部分学生已经习惯于对知识的学习采用简单的死记硬背方法，（这种方法在初中教学短期内成效最显著）。于是学习物理不重视物理过程的发生和状态的确定，脑中缺乏物理情景的再现，不清楚物理概念（规律和公式）的内涵、条件，学习处于被动和盲目阶段，是学生最大的通病，急需教师引导和规范。

2 教学方法的实施

鉴于上面分析，教学上如果简单按教材章节顺序进行，重点不突出，恐难达到预期教学效果。于是重组教材，以问题为线索，以物理模型为切入点就成了教学的突破点。在简单学习了开普勒定律和万有引力定律后，首先用两个物理模型展开对万有引力定律应用的讨论，其次再梳理人造卫星问题。

2.1 万有引力定律应用于天体研究上主要有两种模型

2.1.1 行星模型

质量为m的运动天体，绕质量为M的中心天体（当M为太阳﹑地球﹑行星，对应的m就是地球﹑月球﹑卫星等）作匀速圆周运动如图1。在此模型中，万有引力就是向心力，由牛顿第二定律有：

由上面各式可知道，运动参量如速度﹑角速度﹑周期﹑加速度由轨道半径r决定。a﹑v﹑ω﹑T 和r五个量，只要一个固定，其余四个量就随之确定，与运行的天体质量m无关。

2.1.2 球体模型

这两种模型基本涵盖了高中物理中85%有关天体运动的问题。为加深学生对万有引力定律运用的理解，避免思维定势的影响，再介绍双星体和三星体问题。通过对双星体和三星体向心力的分析，强调万有引力提供天体运动的向心力，它可以是某个万有引力或几个引力的合力，并加深对引力公式中的r和向心力中的r意义的区分和理解。

例题1 （2004全国理综题）在勇气号火星探测器着陆的最后阶段，着陆器降落到火星表面上，再经过多次弹跳才停下来。假设着陆器第一次落到火星表面弹起后，到达最高点时高度为h，速度方向是水平的，速度大小为v0，求它第二次落到火星表面时速度的大小。计算时不计火星大气阻力。已知火星的一个卫星的圆轨道半径为r，周期为T。火星可视为半径为r0的均匀球体。

2.2 人造卫星问题

重点是卫星的轨道和速度问题。

2.2.1卫星的轨道问题

先提问或分析一条与赤道平行纬度不为零的轨道1，见图3。结果发现卫星在万有引力的一个分力（即重力）作用下，将落回到赤道平面上，故是一条不可能的轨道。进一步分析后得出只要卫星轨道圆心与星球球心重合就是卫星运行的可能轨道如轨道2、3、4。之后重点介绍同步轨道2和极地轨道3。最后再学习卫星的变轨。

笔者以为，在人造卫星部分中，同步卫星应作为教学重点，它在卫星问题中具有典型性。首先它有五定（点、线、面、时、速）：定点（在赤道上空）；定线（距地面高度3.6×107m）；定面（与赤道共面）；定时（运行周期24h）；定速（3.0×103m/s）。其次可作为参考物（临界状态）使用。卫星轨道距地面低于同步轨道，其运行角速度ω比地球自转角速度ω0快，运行周期T比地球自转周期T0小；卫星高度距地面为h时，运行轨道半径r=R+h ；若轨道高于同步轨道时，则可不必计及地球半径R，如地月距离r等等。教师可在教学过程中深入挖掘同步卫星轨道作为临界状态的意义。

卫星的变轨是学生学习中的一个难点。在这里卫星从圆周轨道进入椭圆轨道或相反，已不属于行星模型，其规律已不适用，但很多学生仍照用而出错。故这里应配例题加以说明。

2.2.2卫星的速度问题

卫星的速度内容有三：一是发射速度，二是运行速度。重点是第一宇宙速度，它既是发射的最小速度（其轨道是个圆），又是环绕地球运行的最大速度又特称环绕速度。三是卫星变速（变轨）方法，通过由航天器携带的喷气式发动机朝前喷气减速，朝后喷气加速来实现变速的。教学中应详细讨论，此处就不再展开。

例题2 （1998高考上海题）发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步轨道3。轨道1﹑2相切于P点，轨道2﹑3相切于Q点，如图4。则当卫星分别在1﹑2﹑3轨道上正常运行时，以下说法正确的是（）

A.卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率

B.卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度

C.卫星在轨道1上经过P点时的加速度大于它在轨道2上经过P点的加速度

D.卫星在轨道2上经过Q点时的加速度等于它在轨道3上经过Q点时的加速度

（2）由此又可得到，卫星一加速就冲出原轨道，因此卫星（空间站）的对接不可能在同一圆轨道上通过加速或减速来实现。正确方法是从低轨道加速或从高轨道减速来完成。

（3）还可增加卫星能量的变化关系。卫星在轨道1的动能大于在轨道3的动能，在轨道3的重力势能大于在轨道1的重力势能，总机械能（即发射的能量）在轨道3大于在轨道1。这就是为了节省能量发射卫星要如题经过变轨而不直接发射到位的原因。至于在轨道2，由Q点运行到P点，重力势能逐渐减少，动能逐渐增加，不计空气摩擦机械能不变（仅对同一轨道有效），但如属卫星回收返航要经过大气层与空气发生激烈摩擦，则机械能减少。

3 小结

按布鲁姆的教育理论 “教学的基本功能是使个人获得发展”，“优良的教学并不是记忆教师认为正确的结论，而在于发展得到验证这些结论所需要的技能……”强调教学的有效性。提高科学探究的实效性研究，在教学上集中体现在课堂教学的实效性研究上，归根到底就落实在教师的有效教与学生的有效学上。物理学的教学，其精要之处应是把深奥的物理知识，用浅显易懂的方式展现在学生面前，而不是相反。以克服学生的畏难情绪，树立信心，激发学生的求知欲和热情，从而达到教学设计的目的。物理课堂教学内容不在于多而在于精，每节课有针对地处理几个问题，让学生实实在在掌握一至两种方法。这就要求，首先要让学生弄清物理概念，其次要让学生学习时脑子里有物理情景。物理模型不管是实物模型还是过程模型，都抓住物理问题的主要矛盾，有利于学生建立物理图景，形成良好的习惯，从而提高掌握物理知识的效率。以问题为线索，以物理模型为切入点不失为一种有效的教学方法。就本章来讲还要配合其他方法，如介绍卡文迪许巧妙地用扭称实验测出引力常数完善了整个万有引力定律，进行物理学史和方法论的熏陶。时间上也应讲练结合，新课按两课时完成，再配适量的习题课巩固加深。达到知识与技能，过程与方法，情感与价值观三维目标的有效体现。

参考文献：

[1]廖伯琴.普通高中课程标准实验教科书物理2[M].济南：山东科学技术出版社，2007.

[2]（美）布鲁姆等著，邱渊等译.教育评价[M].上海：华东师范大学出版社，1987.

[3]中华人面共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003.