新課程背景下指導學生課外科學探究的實踐
——以Excel輔助探究行星的運動為例

張紹兵 王 偉

（重慶市巴蜀中學 重慶 400013）

新課標提倡學生應該具有信息收集和處理能力，有將物理知識應用于生活和生產(chǎn)實際的意識，勇于探究與日常生活有關(guān)的物理學問題［1］.就如何落實新課標的該點要求，我們在教學過程中做了有益的探索.在講授人教版高中《物理·必修2》第六章第4節(jié)“萬有引力理論的成就”一節(jié)后，筆者給學生布置了一個任務，提出一種方法檢驗萬有引力定律，并寫出探究報告.一個小組依據(jù)太陽的幾大行星繞太陽運動的規(guī)律提出了探究思路，借助Excel軟件強大的數(shù)據(jù)處理和圖表功能，做了有益的探究.

1 理論分析

由于行星的軌道與圓十分接近，在中學階段的研究中我們按圓軌道處理［2］.若太陽和行星間的萬有引力的大小與二者的質(zhì)量的乘積成正比，與二者之間距離的二次方成反比，且該力提供行星繞太陽做勻速圓周運動所需要的向心力，則有

式中r是行星做圓周運動的軌道半徑，G是引力常量，M表示太陽的質(zhì)量，m表示行星的質(zhì)量，a是行星做圓周運動的向心加速度.

上式等號兩邊消去行星的質(zhì)量m，并取對數(shù)，得

這是一個一次函數(shù)關(guān)系式，即若行星做圓周運動所需要的向心力完全由太陽和行星間的萬有引力提供，那么，所有行星的向心加速度的對數(shù)值lga與其軌道半徑的對數(shù)值lgr的關(guān)系都要滿足此表達式.若以各個行星軌道半徑的對數(shù)值lgr為橫坐標點，以相應的行星向心加速度的對數(shù)值lga為縱坐標點畫圖，則畫出的圖像應該是一條傾斜的直線，且該直線的斜率為－2，截距是lgGM.

2 事實檢驗

2.1 相關(guān)數(shù)據(jù)

查找資料［3］，可以得到相關(guān)數(shù)據(jù)，輸入Excel，如表1（第3，4列）.

表1 各行星做圓周運動的相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)處理

運用Excel的計算功能，對觀測數(shù)據(jù)進行探究，可得數(shù)據(jù)如表1第5～8列.具體操作如下.

第1步：單位轉(zhuǎn)換，行星公轉(zhuǎn)周期用秒表示.在單元格D3輸入公式“＝C3＊24＊3600／10∧6”，回車，下拉即可.

第3步：求行星軌道半徑的對數(shù)和向心加速度的對數(shù).在單元格F3輸入公式“＝LOG10（B3）＋9”，回車，下拉；在單元格 G3輸入公式“＝LOG10（E3）－3”，回車，下拉即可.

2.3 描點并作出函數(shù)圖像

以表1中行星軌道半徑的對數(shù)lgr各值為橫坐標點，以相應的行星向心加速度的對數(shù)lga各值為縱坐標點，在坐標紙上作圖，觀察發(fā)現(xiàn)，這些點分布在一條傾斜的直線上.下面進一步利用Excel的圖表功能，對以上數(shù)據(jù)做進一步探究，可得到lga與lgr的函數(shù)關(guān)系式.具體操作如下.

第1步：選中F3到G11單元格，單擊常用工具欄上的“插入”按鈕，在下拉菜單中選擇“圖表”，在彈出的圖表類型對話框中選擇“平滑線散點圖”，單擊“完成”按鈕即可得自動生成圖像，如圖1所示 .

圖1

第2步：將鼠標移動到剛才生成的圖像上，單擊鼠標右鍵，在彈出的對話框中選擇“添加趨勢線”，在彈出的趨勢線格式對話框中點擊“選項”，在展開的項目中找到“趨勢預測”項目，選擇“倒推”若干個單位，另外找到“顯示公式”選項，單擊前面的復選框出現(xiàn)“√”，表示顯示與此圖像相應的函數(shù)關(guān)系式.單擊“確定”按鈕即可得到圖2.由圖2可知，這條直線的斜率是－1.998 1，截距是20.102.

圖2

2.4 圖像分析

（1）該圖像是一條傾斜的直線，這表明，在要求不太高的條件下，行星繞太陽的運動的確可以視為勻速圓周運動，并且太陽提供幾乎全部的行星繞太陽做勻速圓周運動所需要的向心力.

（2）該直線的斜率為－1.998 1，非常接近－2，根據(jù)前面的理論分析可知，這正是太陽和行星間的萬有引力的大小跟它們之間的距離的二次方成反比的直接結(jié)果.這就間接地檢驗了牛頓萬有引力定律.

（3）可求太陽的質(zhì)量.由前面的理論分析可知，該直線的截距表示lgGM，根據(jù)上面得到的該直線的截距20.102，結(jié)合引力常量G＝6.672 59×10－11N·m2／kg2，可求出太陽的質(zhì)量約為M＝1.9×1030kg，非常接近公認的太陽的實際質(zhì)量約M＝2.0×1030kg.

一周后，幾個小組的探究報告基本完成了，筆者安排了一節(jié)課就前期大家的探究成果互相交流，并特別推薦該小組成員在展示課上發(fā)言.學生感觸頗多，有的學生原來認為各個行星的運動是“完全自由”的，現(xiàn)在感受到了原來是萬有引力在“控制”著它們的運動；有的學生通過這次專題探究，真正領(lǐng)會了“中心天體環(huán)繞天體”模型，能熟練地根據(jù)此模型求中心天體的質(zhì)量；有的通過此次探究，計算機輔助處理信息的水平提高了……

1 國家教育部.普通高中物理課程標準（實驗）.北京：人民教育出版社，2003.8～9

2 張維善，黃恕伯，等.普通高中課程標準實驗教科書物理·必修2.北京：人民教育出版社，2004.31～43

3 洪韻芳.天文愛好者手冊.成都：四川辭書出版社，2006.405