从"重力加速度"的学习谈物理核心素养的培养

张国 江苏省苏州实验中学 江苏苏州 215000

一、"重力加速度g"第一次在初中教材中是作为一个求重力的常量出现.G=mg,目的是为了辨析重力、质量这两个概念的含义.

初中学生刚接触物理学科,还不能从理论上把握各个物理量的含义.在学习"重力"这个概念以前,已经学习了"质量",教材对"质量"的定义是:物体所含物质的多少叫做质量,如何来理解这个定义中的"物质",就是一个难点.学生通常会借助生活经验来体会,日常生活中的"体重"、"重量"的说法,对他学习"重力",尤其是理解"质量"和"重力"的含义,会形成"负迁移".此时的"G=mg"中g的学习,是为了让学生通过"质量"和"重力"的量化关系,清楚地知道"质量"和"重力"是两个完全不相同的概念.这个阶段要强调g的数值和单位,使学生理解物理表达式中的"=",不仅指数值相等,单位也必须相同.物理是对生活实际的反应,而不仅仅是数学运算.对于g的物理意义、方向以及大小随纬度的变化等相关知识,由于超出了学生的理解程度,初中阶段都不需要涉及.

二、通过实验测出自由落体运动的加速度,证明物体下落的快慢与轻重(质量)无关:

高中物理(必修)以运动为主线,在学生已经知道"匀变速直线运动"是"加速度"不变的直线运动,匀变速运动的位移(x)、时间(t)、速度(v)等运动学量之间的关系都清楚之后,"自由落体运动"作为一个简单(特殊)的直线运动来研究.通过实验,可以测得该运动的加速度数值为9.8m/s2.实验是可以在不同地方反复做的,学生动手做过以后,就可以比较轻松接受"地球上不同的地方,g的大小是不同的"这个结论,教材上的列表数据表明地球上不同纬度处的g是不同的.这时思维活跃的学生就可以提出两个问题:为什么g的数值和重力常数的数值是一样的;g的数值会随着纬度的增加而增大.进而引导学生思考"自由落体运动的加速度、物体的重力、地球的自转"一定有关联,这就为后面万有引力的学习埋下了伏笔.

三、利用万有引力定律推导星球表面上g的数值,理解g的数值随纬度的增加而变大的原因

根据牛顿的万有引力定律:放在地球表面上的物体受到地球的引力为F引=GMm/R2,物体随地球自转需要的向心力为mω2r.把万有引力分解,一个分力提供物体随地球自转需要的向心力,另一个分力使物体压紧地面,这个分力就是我们所说的"重力".在地球上不同纬度的地球表面上的物体,随地球自转做圆周运动的角速度是相同的,半径

是不同的.随着纬度的增加F向不断减小,重力mg相应增加.这就解释了g的数值随纬度的增加而变大的原因.

取地球赤道上的物体m(如图),有F万=mg+F向,即GMm/R2=mg+m(2π/T)2R,地球的自转周期为T=24h,地球半径为R=6400km,代入得:(2π/T)2R=3.4X10-3g ,也就是向心力mω2r占万有引力的千分之三多,可以忽略地球的自转效果,有GM/R2=g.即星球表面的g是由星球的质量M和半径R决定的,推广得到:由于不同星球(如月球、火星)的质量M和半径R不同,星球表面的g就不相同.如:月球的质量是7.35X1022kg,半径为1738km,则有g月=GM/R2=1.62m/s2.我们在电视画面上看到,宇航员虽然身穿厚重的宇航服,仍然较为灵活,是因为宇航服在月球上的重力大概是地球上的六分之一.

物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度,叫做第一宇宙速度,由mg= (mV2)/R,得第一宇宙速度V=,因为不同星球的半径和表面的g不同,其第一宇宙速度也不相同.也就是说,在火星表面发射火星卫星就比地球上发射地球卫星容易.经过这样的分析和推理过程,学生对宇宙中星体的运动、黑洞等相关知识就有了较为完整的认识.

四、伽利略对自由落体运动的研究过程,体现了培养学生"科学思维"能力的重要性.

"科学思维"是用物理的视角来认识客观事物的本质属性和内在规律,是学生解决实际问题的关键能力.在"伽利略对自由落体运动的研究"过程中,由于伽利略时代的计时工具还不能测量自由落体运动所用的时间.他采用让铜球沿阻力很小的斜面滚下,铜球沿斜面运动的加速度很小,运动时间较长,这样就解决了时间测量的问题.现在我们用牛顿第二定律分析,物体沿光滑斜面下滑的加速度a=gsinθ,随着θ增大到90°,物体的加速度也逐渐变为a=g.用铜球从不同倾角的斜面上运动的特征来推得自由落体运动的规律,这种以逻辑推理和实验相结合来解决问题的方法,正是物理学科要培养的核心素养.

最新版的《物理课程标准》指出:高中物理是普通高中自然科学领域的一门基础学科,目的是为学生的终身发展奠基,促进人类科学事业的传承和社会的发展.高中学生的生活经验贫乏,物理知识不成体系,逻辑思维能力薄弱,在实际教学过程中,我们要注意从学生的最近发展区入手,结合知识的延续性,关注学生能力的发展性,引领学生深入探究过程,体会科学研究方法、养成科学的思维习惯.