发现“万有引力”，发展物理思维能力

张峰

随着我国航空航天事业的繁荣发展，“神舟”系列飞船的不断成功升空，学生在一次一次紧张的发射直播中感同身受，为祖国的伟大而振奋，同时，对头顶那片浩瀚的天空也充满了好奇。人教版高中物理必修二第六章《万有引力与航天》一章中，教材详细的介绍了行星的运动、太阳与行星之间的引力等，这些运动和力的作用都离不开“万有引力”的作用。那么，在这样的时代背景下，老师可以在课堂上带领学生去发现星空中的“万有引力”，同时，在这个过程中也锻炼了学生的物理思维能力。

一、大胆猜想，放飞想象

对陌生事物认识的第一步便是大胆猜想。在想象力的不断丰富与发展的帮助下，会一步一步的揭开未知事物的神秘面纱。万有引力，这个只有在航空航天中才用到的物理原理，对于高中阶段的学生而言，是熟悉且陌生的。那么，在课堂上老师第一步便是鼓励学生去大胆的猜想，放飞自己的想象力，去推开发现“万有引力”的大门。

万有引力的提出，是源自于非常著名的“牛顿苹果树”的实验。在课堂上，老师向学生提出第一个问题：“为什么苹果会落在地面上？”这样的问题。引导学生去朝向万有引力的方向去思考。那么，苹果最终掉落在地上，就好像地面有一种力去“吸引”苹果落下。那么第二个问题：这种“吸引”是如何产生的？第二个问题便指引同学去更加深入的思考这种吸引力产生的原因。这時，老师也可以提醒学生去思考为什么每个人从原地跳起以后还会落回地面，那么，人落地的力和苹果落地的力是不是同样的一种力？那么，如果将思考的范围更加扩大，第三个问题：月球绕着地球转动、地球绕着太阳转动，那么维持转动的力是怎样的一种力？这三个问题，从小到大，由具体到抽象，在三个不同的层面上都将问题的关键划归在“万有引力”之中。通过学生的猜想，首先对万有引力有了一个概念上的理解。

通过苹果下落、物体自由落体的一些物理情景的模拟，来点拨学生通过这些非常常见的例子去遐想，进而去发现万有引力，激发了学生的兴趣和想象力。

二、定量计算，推导检验

猜想过后的第二步，就是对发现的物理现象进行严谨细实的计算，通过科学的推导，最终来检验结论的正确性。这是所有物理过程的必经过程，那么，万有引力的推导以及引力定律的应用，都需要检验其猜想的合理性。这样的推导过程，也是高中阶段学生必须要掌握的能力。

在猜想阶段中，月亮围绕地球转，地球绕着太阳转，这样的转动可以用引力定律来完美解释。例如：月亮绕着地球做匀速圆周运动，地球半径是月球轨道半径R的60倍，设地球的质量为M，月球质量为m，那么，根据万有引力定律，回答三个问题（1）月球做什么运动，符合什么规律？（2）物体在地球附近受到的地球吸引力的表达式是什么？（3）计算月球的加速度与地球表面加速度G的关系。学生在进行谨慎的验证时，首先从教材中的图片可以观察到（1）月球做的是近似的匀速圆周运动，其运动的轨迹符合圆周的特性，故可以用匀速圆周运动来计算其特性。（2）设物体质量为m1，那么，根据万有引力定律，可知其自身重力和地球对其的万有引力相等，即：G=m1g=G 。

（3）对于月球而言，F月=G

=ma月

对于地球而言，F地=G =ma地

那么， ，其中，a地=g，既地球的重力加速度远远大于月球的重力加速度，那也就是为什么宇航员在月球表面看似“飘”在空中的原因。

在相应的情境创设中，给学生开启定量计算的环境，通过严谨细实的推导，来检验猜想的正确性，增强学生的过程推导能力。

三、实践探索，估算比较

当猜想得到证实以后，最重要的是将理论融入实践，去验证定律的科学性。进行实践探索时，采用估算对比的方法，可以加大实例的说服性，更加直接的证明定律。对于万有引力定律来说，也是这样的。

老师在课堂上，可以通过小实验的方式来验证定律：抽两名同学，首先两人靠拢，然后离开，让同学感受两人之间是否存在引力的作用。实验验证，两人并没有感受到任何的感觉。那么，万有引力定律难道不适用了么？这时，假设两名同学质量均为50kg，之间的距离为1m，根据万有引力定律，可得

F=G ≈1.7×10-7N

可知二者之间的万有引力特别小，所以二人没有感受到任何感觉是非常正常的。

已知地球质量与地球半径（常量），那么，其中一位同学和地球之间的万有引力，可得

F=G ≈493N

已知g=9.8m/s2，那么其中一位同学的重力G=mg=490N，即G

学生课堂活动的意义在于增加课堂趣味性的同时创设物理情景，在物理情景中学生进行了估算和比较，更加加深了对定律的理解。

在大胆假设、定量计算、实践探索三步后，“万有引力”这个神秘的宇宙之子通过老师和学生的共同努力，最终揭开了他神秘的面纱。不论在地球上的物体，还是在外太空中的行星，都没有逃过万有引力的“吸引”，而在物理的教学中，三步走的教学原则培养了学生的概括总结能力，同时也加强彼此之间的交流、评估和协作。

（作者单位：江苏省栟茶高级中学）