万有引力教学中的一、二、三

2016-05-26周复忠

物理之友 2016年4期

关键词：人民教育出版社纬度天体

周复忠

(江苏省南京市江宁高级中学，江苏　南京　211100)

万有引力教学中的一、二、三

周复忠

(江苏省南京市江宁高级中学，江苏南京211100)

摘要：对于万有引力问题学生易学易忘、常考常错.作为一线教师如何在一轮复习中对核心知识进行有效总结？如何充分挖掘物理学史的情感教育功能？如何构建物理模型、帮助学生应战高考？本文就此问题，从“一个定律”、“两个模型”和“三个力”方面进行讨论.

关键词：万有引力；重力；向心力

万有引力是高考中一个常考的知识点,纵观历年来高考发现得分率并不高.学生对万有引力问题很是头疼,感觉易学易忘.分析背后的原因,除了万有引力问题本身比较抽象,远离生活实际,学生难于直接去感知外,也跟老师的教学有关.比如,教学时对万有引力定律发现过程中的物理学史重视不够,忽略了它的情感教育功能,教学时疏于建模,如“天上”模型和“地上”模型,教学时对有些问题的讲解不够深入，因而造成学生一知半解,如万有引力、重力、向心力的关系等.在教学中尤其是在一轮复习中,若能对“一个定律”、“两个模型”和“三个力”进行系统讲解,对学生应战高考甚至提升学习物理的热情都大有裨益.

1一个定律

“一个定律”即万有引力定律.

1．1万有引力定律的表述

1．2万有引力定律的发现历程

万有引力的发现源于人们对天体运动的探索,从托勒密、哥白尼、第谷、开普勒到牛顿直至卡文迪许,他们对万有引力定律的发现都做出了突出的贡献.万有引力定律发现的过程就是一部物理学史诗,它是对学生进行情感、态度、价值观教育的极佳素材.

15世纪末16世纪初哥白尼的“日心说”逐渐战胜了托勒密的“地心说”,但无论地心说还是日心说,都把天体运动看得很神圣,认为天体运动必然是最完美、最和谐的匀速圆周运动.

开普勒用了20年的时间研究了丹麦天文学家第谷的行星观察资料,发现了行星运动规律,并分别于1609年和1619年发表了开普勒行星运动三定律,改变了人们对天体运动的认识.开普勒从运动学的角度描述了行星的运动,而从动力学的角度来研究行星运动是由牛顿来完成的.

1．3万有引力定律的应用

由于G=6.67×10-11N·m2/kg2,值很小,只有当物体的质量很大时,物体间的引力才较大,才会对物体的运动产生显著影响.因此,通常对微观物体进行受力分析时不考虑万有引力,而当研究宇观物体和地上物体时要考虑万有引力(重力).

2二个模型

二个模型指的是“天上”模型和“地上”模型.

2．1“天上”模型

如图1所示，“天上”模型,也可称为“绕转”模型,即环绕天体围绕中心天体做匀速圆周运动的运动模型,如行星绕太阳转、卫星绕地球转等.这种模型的关键词是“围绕”,其特点是环绕天体受到的中心天体的引力全部用来充当向心力,环绕天体的轨道参数,如线速度v、角速度ω、周期T、加速度a等由轨道半径唯一决定,而与环绕天体自身的自转无关.

2．2“地上”模型

“地上”模型(如图2)也可称为“随转”模型,即物体在天体表面附近跟随天体一起自转的运动模型,如地球表面附近的物体跟随地球自转.这种模型的关键词是“跟随”,其特点是物体角速度(周期)和天体自转角速度(周期)相同,物体的转动半径R′跟物体所处的地理纬度有关,且纬度越高，R′越小.在两极处R′=0,即此时物体不随天体自转而保持静止,在赤道处R′=R(天体半径)为最大.

3三个力

在“天上”模型和“地上”模型中,常常都会出现三个力,即万有引力、重力、向心力.那么这三个力有什么本质不同吗？在两种不同模型中,三个力大小间的关系又是怎样的？

3．1“天上”模型中三个力的关系