《萬有引力定律》教學實效性研究

方文川+黃書鵬

摘 要：科學探究的實效性研究，在教學上集中體現(xiàn)在課堂教學的實效性研究上。以問題為線索，以物理模型為切入點是提高教學實效性的有效方法。本文以《萬有引力定律》一章教學為例，分析了教材和學生特點及教學實施方案，以研究教學的實效性。

關鍵詞：教學實效性；物理教學；物理模型

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2014）7（S）-0012-4

如何提高教學的實效性，這是擺在廣大教師面前的新課題，也是課改中要解決的重要課題。就這一問題，仁者見仁，智者見智。下面結合《萬有引力定律》一章的教學，談談筆者的一點思考和實踐。

1 教材特點與學生狀況分析

要提高課堂教學的實效性，就必須對教材和學生雙方進行分析了解，才能做到有的放矢。

1.1 教材特點

《萬有引力定律》一章屬經(jīng)典力學范疇，聯(lián)系當今高新科技知識緊密。本章分成三節(jié)課，從內(nèi)容上看，除開普勒定律和牛頓萬有引力定律是新知識點外，其它的都是上一章圓周運動知識的應用。本章重點是牛頓萬有引力定律及應用。盡管新知識重點只有一個，但結合圓周運動形成的公式卻不少，給學生學習帶來較大困難。尤其是學生在不深刻了解物理知識和規(guī)律的情況下，經(jīng)常會亂用物理公式而出錯。

其二，萬有引力定律應用于天體問題上時，很大部分是研究人造衛(wèi)星問題。仔細分析可以看到重點又在衛(wèi)星的軌道和速度兩個問題上。這就指出了教學的重點：一衛(wèi)星的各種可行軌道及變軌問題；二衛(wèi)星的發(fā)射速度和運行速度及變速方法。

1.2 學生狀況分析

隨著重點中學的擴招，同班級學生知識與智力水平參差不齊。再加上初中物理教材科普常識化及教學評價等種種原因，使得大部分學生已經(jīng)習慣于對知識的學習采用簡單的死記硬背方法，（這種方法在初中教學短期內(nèi)成效最顯著）。于是學習物理不重視物理過程的發(fā)生和狀態(tài)的確定，腦中缺乏物理情景的再現(xiàn)，不清楚物理概念（規(guī)律和公式）的內(nèi)涵、條件，學習處于被動和盲目階段，是學生最大的通病，急需教師引導和規(guī)范。

2 教學方法的實施

鑒于上面分析，教學上如果簡單按教材章節(jié)順序進行，重點不突出，恐難達到預期教學效果。于是重組教材，以問題為線索，以物理模型為切入點就成了教學的突破點。在簡單學習了開普勒定律和萬有引力定律后，首先用兩個物理模型展開對萬有引力定律應用的討論，其次再梳理人造衛(wèi)星問題。

2.1 萬有引力定律應用于天體研究上主要有兩種模型

2.1.1 行星模型

質(zhì)量為m的運動天體，繞質(zhì)量為M的中心天體（當M為太陽﹑地球﹑行星，對應的m就是地球﹑月球﹑衛(wèi)星等）作勻速圓周運動如圖1。在此模型中，萬有引力就是向心力，由牛頓第二定律有：

由上面各式可知道，運動參量如速度﹑角速度﹑周期﹑加速度由軌道半徑r決定。a﹑v﹑ω﹑T 和r五個量，只要一個固定，其余四個量就隨之確定，與運行的天體質(zhì)量m無關。

2.1.2 球體模型

這兩種模型基本涵蓋了高中物理中85%有關天體運動的問題。為加深學生對萬有引力定律運用的理解，避免思維定勢的影響，再介紹雙星體和三星體問題。通過對雙星體和三星體向心力的分析，強調(diào)萬有引力提供天體運動的向心力，它可以是某個萬有引力或幾個引力的合力，并加深對引力公式中的r和向心力中的r意義的區(qū)分和理解。

例題1 （2004全國理綜題）在勇氣號火星探測器著陸的最后階段，著陸器降落到火星表面上，再經(jīng)過多次彈跳才停下來。假設著陸器第一次落到火星表面彈起后，到達最高點時高度為h，速度方向是水平的，速度大小為v0，求它第二次落到火星表面時速度的大小。計算時不計火星大氣阻力。已知火星的一個衛(wèi)星的圓軌道半徑為r，周期為T?；鹦强梢暈榘霃綖閞0的均勻球體。

2.2 人造衛(wèi)星問題

重點是衛(wèi)星的軌道和速度問題。

2.2.1衛(wèi)星的軌道問題

先提問或分析一條與赤道平行緯度不為零的軌道1，見圖3。結果發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星在萬有引力的一個分力（即重力）作用下，將落回到赤道平面上，故是一條不可能的軌道。進一步分析后得出只要衛(wèi)星軌道圓心與星球球心重合就是衛(wèi)星運行的可能軌道如軌道2、3、4。之后重點介紹同步軌道2和極地軌道3。最后再學習衛(wèi)星的變軌。

筆者以為，在人造衛(wèi)星部分中，同步衛(wèi)星應作為教學重點，它在衛(wèi)星問題中具有典型性。首先它有五定（點、線、面、時、速）：定點（在赤道上空）；定線（距地面高度3.6×107m）；定面（與赤道共面）；定時（運行周期24h）；定速（3.0×103m/s）。其次可作為參考物（臨界狀態(tài)）使用。衛(wèi)星軌道距地面低于同步軌道，其運行角速度ω比地球自轉(zhuǎn)角速度ω0快，運行周期T比地球自轉(zhuǎn)周期T0??；衛(wèi)星高度距地面為h時，運行軌道半徑r=R+h ；若軌道高于同步軌道時，則可不必計及地球半徑R，如地月距離r等等。教師可在教學過程中深入挖掘同步衛(wèi)星軌道作為臨界狀態(tài)的意義。

衛(wèi)星的變軌是學生學習中的一個難點。在這里衛(wèi)星從圓周軌道進入橢圓軌道或相反，已不屬于行星模型，其規(guī)律已不適用，但很多學生仍照用而出錯。故這里應配例題加以說明。

2.2.2衛(wèi)星的速度問題

衛(wèi)星的速度內(nèi)容有三：一是發(fā)射速度，二是運行速度。重點是第一宇宙速度，它既是發(fā)射的最小速度（其軌道是個圓），又是環(huán)繞地球運行的最大速度又特稱環(huán)繞速度。三是衛(wèi)星變速（變軌）方法，通過由航天器攜帶的噴氣式發(fā)動機朝前噴氣減速，朝后噴氣加速來實現(xiàn)變速的。教學中應詳細討論，此處就不再展開。

例題2 （1998高考上海題）發(fā)射地球同步衛(wèi)星時，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后經(jīng)點火，使其沿橢圓軌道2運行，最后再次點火，將衛(wèi)星送入同步軌道3。軌道1﹑2相切于P點，軌道2﹑3相切于Q點，如圖4。則當衛(wèi)星分別在1﹑2﹑3軌道上正常運行時，以下說法正確的是（ ）

A.衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率

B.衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度

C.衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過P點時的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過P點的加速度

D.衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過Q點時的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過Q點時的加速度

（2）由此又可得到，衛(wèi)星一加速就沖出原軌道，因此衛(wèi)星（空間站）的對接不可能在同一圓軌道上通過加速或減速來實現(xiàn)。正確方法是從低軌道加速或從高軌道減速來完成。

（3）還可增加衛(wèi)星能量的變化關系。衛(wèi)星在軌道1的動能大于在軌道3的動能，在軌道3的重力勢能大于在軌道1的重力勢能，總機械能（即發(fā)射的能量）在軌道3大于在軌道1。這就是為了節(jié)省能量發(fā)射衛(wèi)星要如題經(jīng)過變軌而不直接發(fā)射到位的原因。至于在軌道2，由Q點運行到P點，重力勢能逐漸減少，動能逐漸增加，不計空氣摩擦機械能不變（僅對同一軌道有效），但如屬衛(wèi)星回收返航要經(jīng)過大氣層與空氣發(fā)生激烈摩擦，則機械能減少。

3 小 結

按布魯姆的教育理論 “教學的基本功能是使個人獲得發(fā)展”，“優(yōu)良的教學并不是記憶教師認為正確的結論，而在于發(fā)展得到驗證這些結論所需要的技能……”強調(diào)教學的有效性。提高科學探究的實效性研究，在教學上集中體現(xiàn)在課堂教學的實效性研究上，歸根到底就落實在教師的有效教與學生的有效學上。物理學的教學，其精要之處應是把深奧的物理知識，用淺顯易懂的方式展現(xiàn)在學生面前，而不是相反。以克服學生的畏難情緒，樹立信心，激發(fā)學生的求知欲和熱情，從而達到教學設計的目的。物理課堂教學內(nèi)容不在于多而在于精，每節(jié)課有針對地處理幾個問題，讓學生實實在在掌握一至兩種方法。這就要求，首先要讓學生弄清物理概念，其次要讓學生學習時腦子里有物理情景。物理模型不管是實物模型還是過程模型，都抓住物理問題的主要矛盾，有利于學生建立物理圖景，形成良好的習慣，從而提高掌握物理知識的效率。以問題為線索，以物理模型為切入點不失為一種有效的教學方法。就本章來講還要配合其他方法，如介紹卡文迪許巧妙地用扭稱實驗測出引力常數(shù)完善了整個萬有引力定律，進行物理學史和方法論的熏陶。時間上也應講練結合，新課按兩課時完成，再配適量的習題課鞏固加深。達到知識與技能，過程與方法，情感與價值觀三維目標的有效體現(xiàn)。

參考文獻：

[1]廖伯琴.普通高中課程標準實驗教科書 物理2[M].濟南：山東科學技術出版社，2007.

[2]（美）布魯姆等著，邱淵等譯.教育評價[M].上海：華東師范大學出版社，1987.

[3]中華人面共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003.

（欄目編輯 趙保鋼）

A.衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率

B.衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度

C.衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過P點時的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過P點的加速度

D.衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過Q點時的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過Q點時的加速度

（2）由此又可得到，衛(wèi)星一加速就沖出原軌道，因此衛(wèi)星（空間站）的對接不可能在同一圓軌道上通過加速或減速來實現(xiàn)。正確方法是從低軌道加速或從高軌道減速來完成。

（3）還可增加衛(wèi)星能量的變化關系。衛(wèi)星在軌道1的動能大于在軌道3的動能，在軌道3的重力勢能大于在軌道1的重力勢能，總機械能（即發(fā)射的能量）在軌道3大于在軌道1。這就是為了節(jié)省能量發(fā)射衛(wèi)星要如題經(jīng)過變軌而不直接發(fā)射到位的原因。至于在軌道2，由Q點運行到P點，重力勢能逐漸減少，動能逐漸增加，不計空氣摩擦機械能不變（僅對同一軌道有效），但如屬衛(wèi)星回收返航要經(jīng)過大氣層與空氣發(fā)生激烈摩擦，則機械能減少。

3 小 結

按布魯姆的教育理論 “教學的基本功能是使個人獲得發(fā)展”，“優(yōu)良的教學并不是記憶教師認為正確的結論，而在于發(fā)展得到驗證這些結論所需要的技能……”強調(diào)教學的有效性。提高科學探究的實效性研究，在教學上集中體現(xiàn)在課堂教學的實效性研究上，歸根到底就落實在教師的有效教與學生的有效學上。物理學的教學，其精要之處應是把深奧的物理知識，用淺顯易懂的方式展現(xiàn)在學生面前，而不是相反。以克服學生的畏難情緒，樹立信心，激發(fā)學生的求知欲和熱情，從而達到教學設計的目的。物理課堂教學內(nèi)容不在于多而在于精，每節(jié)課有針對地處理幾個問題，讓學生實實在在掌握一至兩種方法。這就要求，首先要讓學生弄清物理概念，其次要讓學生學習時腦子里有物理情景。物理模型不管是實物模型還是過程模型，都抓住物理問題的主要矛盾，有利于學生建立物理圖景，形成良好的習慣，從而提高掌握物理知識的效率。以問題為線索，以物理模型為切入點不失為一種有效的教學方法。就本章來講還要配合其他方法，如介紹卡文迪許巧妙地用扭稱實驗測出引力常數(shù)完善了整個萬有引力定律，進行物理學史和方法論的熏陶。時間上也應講練結合，新課按兩課時完成，再配適量的習題課鞏固加深。達到知識與技能，過程與方法，情感與價值觀三維目標的有效體現(xiàn)。

參考文獻：

[1]廖伯琴.普通高中課程標準實驗教科書 物理2[M].濟南：山東科學技術出版社，2007.

[2]（美）布魯姆等著，邱淵等譯.教育評價[M].上海：華東師范大學出版社，1987.

[3]中華人面共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003.

（欄目編輯 趙保鋼）

A.衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率

B.衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度

C.衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過P點時的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過P點的加速度

D.衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過Q點時的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過Q點時的加速度

（2）由此又可得到，衛(wèi)星一加速就沖出原軌道，因此衛(wèi)星（空間站）的對接不可能在同一圓軌道上通過加速或減速來實現(xiàn)。正確方法是從低軌道加速或從高軌道減速來完成。

（3）還可增加衛(wèi)星能量的變化關系。衛(wèi)星在軌道1的動能大于在軌道3的動能，在軌道3的重力勢能大于在軌道1的重力勢能，總機械能（即發(fā)射的能量）在軌道3大于在軌道1。這就是為了節(jié)省能量發(fā)射衛(wèi)星要如題經(jīng)過變軌而不直接發(fā)射到位的原因。至于在軌道2，由Q點運行到P點，重力勢能逐漸減少，動能逐漸增加，不計空氣摩擦機械能不變（僅對同一軌道有效），但如屬衛(wèi)星回收返航要經(jīng)過大氣層與空氣發(fā)生激烈摩擦，則機械能減少。

3 小 結

按布魯姆的教育理論 “教學的基本功能是使個人獲得發(fā)展”，“優(yōu)良的教學并不是記憶教師認為正確的結論，而在于發(fā)展得到驗證這些結論所需要的技能……”強調(diào)教學的有效性。提高科學探究的實效性研究，在教學上集中體現(xiàn)在課堂教學的實效性研究上，歸根到底就落實在教師的有效教與學生的有效學上。物理學的教學，其精要之處應是把深奧的物理知識，用淺顯易懂的方式展現(xiàn)在學生面前，而不是相反。以克服學生的畏難情緒，樹立信心，激發(fā)學生的求知欲和熱情，從而達到教學設計的目的。物理課堂教學內(nèi)容不在于多而在于精，每節(jié)課有針對地處理幾個問題，讓學生實實在在掌握一至兩種方法。這就要求，首先要讓學生弄清物理概念，其次要讓學生學習時腦子里有物理情景。物理模型不管是實物模型還是過程模型，都抓住物理問題的主要矛盾，有利于學生建立物理圖景，形成良好的習慣，從而提高掌握物理知識的效率。以問題為線索，以物理模型為切入點不失為一種有效的教學方法。就本章來講還要配合其他方法，如介紹卡文迪許巧妙地用扭稱實驗測出引力常數(shù)完善了整個萬有引力定律，進行物理學史和方法論的熏陶。時間上也應講練結合，新課按兩課時完成，再配適量的習題課鞏固加深。達到知識與技能，過程與方法，情感與價值觀三維目標的有效體現(xiàn)。

參考文獻：

[1]廖伯琴.普通高中課程標準實驗教科書 物理2[M].濟南：山東科學技術出版社，2007.

[2]（美）布魯姆等著，邱淵等譯.教育評價[M].上海：華東師范大學出版社，1987.

[3]中華人面共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003.

（欄目編輯 趙保鋼）