由万有引力定律浅谈高中物理核心素养

宗游

摘要：本文从课程标准和核心素养出发，以万有引力定律为载体，阐述高中物理教学如何渗透核心素养，以及对于学生思维上的影响。

关键词：核心素养  万有引力定律  物理思维

物理学科的核心素养提出，要从物理视角对客观实物的本质属性、内在规律和相互作用关系形成认知，能够基于经验事实构建相应的物理理想模型，进行分析综合、推理论证，并通过实验探究形成学生正确的科学态度和责任。而在教学过程中，大多数教师生硬地给出规律，局限于不断重复训练以应对考试，并未使学生形成良好的科学思维习惯。

本文将以万有引力定律为例，在物理学史的渗透，问题意识的树立，科学思维和科学责任的培养等方面进行探讨，简述在教学过程中的具体操作。

一、重温科学脚步，体会坚持不懈的求真精神

在古代，人们对宇宙的认知是有局限的，其中以地心说和日心说最具代表性。地心说认为地球为宇宙的中心，一切天体均围绕地球旋转，这无疑和教皇的统治思想是一致的。直至哥白尼提出日心说，认为太阳是宇宙的中心，否认具有宗教背景的地心说，实现了天文学上思想的突破。意大利学者布鲁诺更以生命的代价公开支持日心说，被烧死在了罗马的鲜花广场。而德国天文学家开普勒用了20年的时间研究了第谷的观测记录，又通过长达4年的计算，否定了19种假设，才把天体位置测量的误差由10′减少到2′，得出行星绕太阳运动的轨道为椭圆，进而总结归纳出开普勒三大定律，为人们研究宇宙创造了条件。人类对宇宙的探索一直没有停歇，牛顿在胡克、哈雷、笛卡尔等前人研究的基础上逐步揭示了万有引力定律，真正开启宇宙探索之门。这样一个漫长、曲折的历史发展过程就像一部电影映入学生眼帘，科学真理的得出来之不易，真理的发现过程更是艰辛。无数科学家耗尽毕生心血，甚至付出了生命的代价，都是为了真理鲜花的盛开之美。学生在以后的人生道路中，必然会遇到很多的问题，良好的品格、顽强的信心、坚忍的个性对于学生是非常重要的。通过这些史实培养起学生对于科学探究的坚持不懈的精神，而这种精神不仅存在于物理学科，它是可以影响学生一生的宝贵品质！

二、树立问题意识，从物理视角观察生活情境

对于牛顿的认识，学生大多是由苹果落地开始的，正是这样一位对物理规律的普适性极为敏感的大科学家，主导了人类科学史上又一次伟大的变革。细致的观察，敏锐的问题意识，体现出探究绝不只是坐在课堂之中。而学生很多时候会把知识学习和生活严格地分隔开来，离开了书桌就等于结束了学习，对于身边发生的物理现象视而不见。其实不然，物理规律是具有极强的普适性的，小到班级里风扇的运转、粉笔字的书写、骑车回家的过程，大到飞机、航母、航天飞船的设计使用，无疑都与物理规律密切相关。所以，了解牛顿发现万有引力定律过程，可以让学生养成把生活情景和物理规律联系起来的良好习惯，这也正是物理核心素养的体现。

一般来说，物理问题的研究过程一般需要经过提出问题、分析假设、验证修正、解决问题这几个阶段，其中提出问题是起点，也是重点。此时教师应该组织学生进行充分的讨论，发现问题所在，即苹果会下落，那么月球是不是也会下落呢？既然月球围绕着地球做圆周运动，那么月球绕地球做圆周运动的向心力和使苹果下落的力是不是同一种性质的力呢？敢于发问，善于发问，是形成科学探究品质的保障。

三、层层深入，养成严谨的科学探究思维和实验探究习惯

问题提出后必须经过严谨科学的论证，最终才形成科学结论。在万有引力定律的思考过程中，让学生结合开普勒第一、第二定律，首先得出太阳和行星之间的引力表达公式：F∝Mmr2，进而整理为F=GMmr2。但是这里的公式仅仅代表太阳和行星之间的引力大小，绝不能称其为“万有引力”，这从第二节和第三节的标题中也可以发现。所以牛顿进行了“月—地检验”这样一个富有创造性的推理实验。要检验什么？如何去检验？清晰的思路，逐步去完善科学探究，并且结合物理特有的理想模型进行思考。

牛顿假设存在一个小月球，它离地面的距离约为地球最高峰的高度，并围绕地球做圆周运动，那么小月球具有的向心力和使地球表面的苹果自由下落的重力应该是同一种性质的力。假如小月球的运动突然停止，那么它应与山顶的其他物体保持相同速度下落。但若向心力来源不为重力，那么两种力作用之下，其速度会变得更大，显然与我们的生活经验相违背。解读牛顿的科学探究过程，让学生牛顿的思想在学生头腦中逐步深化、建立物理模型，并且形成系统严谨的科学探究思路，渗透核心素养品质。学生在这个过程之中能够体会物理的学科方法在构建物理规律中的重要作用，认识到解决问题的基本路径，从而在后续的学习中能够更好地自主学习。

四、真理要经得起检验，科学负有责任感

科学态度和责任的培养也是物理教学重要的教学目标，做学问首先要做人，做一个对自然有敬畏心、对真理有探索欲、对社会有责任感的人，在日常教学中完善对学生的德育是培养合格人才的基本途径之一。

从对本校教师的访谈中可以看到，大部分教师对万有引力定律的推导使用了向心力方程与动力学方程。而在当年万有引力定律得出时，牛顿是在椭圆轨道的情形下通过开普勒第三定律，从离心力定律演化出的向心力定律和数学上的极限思想或微积分概念，才用几何方法证明的。真实的天体运动毕竟不是匀速圆周理想化模型，从这里也可以看出牛顿对于科学结论的求真精神。依照牛顿的万有引力定律推算结果，行星是围绕着太阳沿椭圆轨道做周期性运动。但是，天文观测中发现的现象却有所不同，某些行星的真实轨道并不是严格的椭圆，它们的近日点在不断地进动，这样牛顿的万有引力定律就不适用了。

直至牛顿逝世后的71年，才由英国科学家卡文迪许测量出了G的数值，独立发明的扭秤实验、无法绝对无视其他物体质量干扰、作用力微弱到几乎无法发现，这一系列的问题都为G值的测量增加了不少难度，并且随着科学发展，G值也在一次次不断地修正。通过这样的事实，让学生感受到任何规律绝对都不是简单地证明出来就算结束，科学家们对于科学结论得出时严谨的科学态度和责任感是让人敬畏的。做学问如此，做人更应如此！

五、小结

万有引力定律是曲线运动的重要章节，在课程设置中，对于学生树立正确的科学观和宇宙观有重要的作用。经过系统化的学科训练，学生应该在在培养物理思维、开阔人生视野、提升学科素养等方面有长足的进步，最终成长为一个具有可持续发展能力的人，一个符合新时代育人标准的人。这要求教师要努力做好自身发展，在工作中坚持学习，在课堂教学中也不只进行片面的物理知识性教学，课程标准指出，全面提升学生的素质、思维、能力是新时代的育人标准。如果学生在后期的大学学习中选择了非物理专业，那么我们从初中到高中，这样五年的物理教学就没有意义了吗？学生获得的这些物理规律、物理思维方法是不是也没有意义了？不然！或许定理已经不再被提及，但是物理逻辑推理的方法一定是学生终身受益的！物理的学科思维必然会成为学生主体思维的重要组成部分。学生领悟到的是物理思想，又不止于物理思想。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理必修2（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2][美]阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein），[波兰]利奥波德·英费尔德.物理学的进化[M].北京：中信出版社，2019.