高中物理天體運(yùn)動(dòng)中的迷思探究

汪力

摘?要：本文從建構(gòu)主義理論入手，分析了學(xué)生在解決萬(wàn)有引力定律問(wèn)題中的迷思概念和規(guī)律，給出了教材編制和教師觀念方面的建議，有利于改進(jìn)教學(xué)和提升學(xué)習(xí)效率.

關(guān)鍵詞：迷思概念;萬(wàn)有引力定律;勻速圓周運(yùn)動(dòng);天體運(yùn)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2020）22-0085-02

由于缺少實(shí)際的感性體驗(yàn)和客觀存在的觀察障礙，以及空間結(jié)構(gòu)本身具有的運(yùn)動(dòng)性和大尺度等特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)天體運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)空間觀念的建構(gòu)產(chǎn)生各類(lèi)“迷思概念”（Misconceptions），即學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念之前已具有的直覺(jué)知識(shí)與科學(xué)知識(shí)不符的概念.只有真正調(diào)查清楚學(xué)生在天體運(yùn)動(dòng)中有哪些具體的迷思概念，才能讓學(xué)生在這種抽象的科學(xué)思維下建構(gòu)正確的“科學(xué)概念”，才能更加有效的提升學(xué)生運(yùn)用天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律解決問(wèn)題的能力.為此，筆者對(duì)存在于學(xué)生中關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)的迷思概念進(jìn)行了調(diào)查研究.

一、天體運(yùn)動(dòng)中的迷思概念

1.萬(wàn)有引力和重力間的迷思概念

（1）學(xué)生在初中階段接觸重力的定義，調(diào)查發(fā)現(xiàn)初中的試題導(dǎo)向以及教師在教授過(guò)程中會(huì)強(qiáng)調(diào)以下三點(diǎn)：一是強(qiáng)調(diào)“由于吸引而產(chǎn)生”的因果關(guān)系，為后期的高中階段學(xué)習(xí)進(jìn)行鋪墊，二是強(qiáng)調(diào)重力的數(shù)值與地球吸引力一般不相等，三是強(qiáng)調(diào)方向是豎直向下，不是垂直向下.以上問(wèn)題由于學(xué)生知識(shí)能力的限制，在初中階段得不到合理的解釋?zhuān)荒芡ㄟ^(guò)訓(xùn)練來(lái)強(qiáng)化記憶.當(dāng)學(xué)生進(jìn)入高中階段，能夠理解重力是萬(wàn)有引力的分力，但由于學(xué)生一直是在地球上研究問(wèn)題，已經(jīng)習(xí)慣了身邊的空間尺度以及對(duì)水平面的直觀理解（如圖1所示）.而現(xiàn)在需要在更大的空間尺度上（如圖2所示）進(jìn)行研究，但是在圖2中，學(xué)生無(wú)法根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)區(qū)分水平面、豎直向下、該點(diǎn)的切線(xiàn)方向、指向圓心的方向、垂直向下等方向，無(wú)法在兩幅圖中找到初高中對(duì)于重力在不同空間尺度下的聯(lián)系.根據(jù)構(gòu)建主義理論，學(xué)生無(wú)法將新知識(shí)與已經(jīng)獲得的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行同化，這是形成概念迷思的重要因素.

（2）在受力分析方面，由于學(xué)生空間思維能力以及空間尺度變化后的相互切換能力差，在圖2的空間尺度下，學(xué)生很容易漏分析支持力，這也是為什么學(xué)生分不清赤道上的物體和近地衛(wèi)星兩者的線(xiàn)速度等物理量的比較關(guān)系.其次，教材中首先是從天體運(yùn)動(dòng)開(kāi)始引入，萬(wàn)有引力的大小和方向與重力相同，在運(yùn)算中相互替代，所以在分析赤道上的物體跟隨地球自轉(zhuǎn)的題目時(shí)，學(xué)生一方面習(xí)慣了地球是慣性系的這種錯(cuò)覺(jué)，得出重力等于支持力的方程，一方面考慮到地球自轉(zhuǎn)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，得出萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力，誤認(rèn)為兩個(gè)方程各自成立，也是將隨地球自轉(zhuǎn)物體的運(yùn)動(dòng)速度錯(cuò)算成第一宇宙速度的原因.

例題：同步衛(wèi)星離地心的距離為r，運(yùn)行速率為v1，加速度為a1;地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為a2，第一宇宙速度為v2，地球的半徑為R，則下列比值正確的是（ ）.

A.a1a2=R2r2B.a1a2=rR

C.v1v2=RrD.v1v2=Rr

錯(cuò)解?學(xué)生在思考本道題過(guò)程中容易犯思維定勢(shì)的錯(cuò)誤，對(duì)同步衛(wèi)星、赤道上隨地球自轉(zhuǎn)物體和以第一宇宙速度運(yùn)行的衛(wèi)星均用公式Gm1m2r2=m1a=m1v2r進(jìn)行分析.

點(diǎn)評(píng)?本題中的同步衛(wèi)星和以第一宇宙速度運(yùn)行的衛(wèi)星滿(mǎn)足萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力的規(guī)律，運(yùn)用公式Gm1m2r2=m2a=m2v2r進(jìn)行運(yùn)算，得到v=Gm1r，所以v1v2=Rr;而赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體除了受到萬(wàn)有引力的作用外，還受到地面對(duì)它的支持力的作用，兩者的合力充當(dāng)物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，需要運(yùn)用公式Gm1m2r2-N=m2a=m2v2r運(yùn)算，題給條件無(wú)法通過(guò)這個(gè)方程求解，但是赤道上隨地球自轉(zhuǎn)物體與同步衛(wèi)星的共同特點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相同，可以運(yùn)用公式a=rω2進(jìn)行比較，故a1a2=rR.

2.兩個(gè)距離間的迷思概念

人們對(duì)于相近或相似的東西，總是容易混淆，比如我們?cè)谡Z(yǔ)言的學(xué)習(xí)中，不可避免地發(fā)現(xiàn)有些語(yǔ)言在發(fā)音、字形或者文法上十分相似，這給我們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中帶來(lái)了許多疑惑和困難，尤其是對(duì)于剛開(kāi)始系統(tǒng)學(xué)習(xí)語(yǔ)言的學(xué)生，無(wú)疑是增加了不小的難度.

粵教版、人教版、教科版三種版本出版的《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·必修·物理2》教材中對(duì)萬(wàn)有引力定律的定義均用r或R表示兩物體間的距離或者兩質(zhì)量分布均勻的球體球心間距離.以上三種教材中對(duì)向心力的定義亦是用r或R表示物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)圓軌道的半徑.萬(wàn)有引力定律和向心力隸屬于兩個(gè)完全不同的系統(tǒng)，當(dāng)它們出現(xiàn)在同一種物理環(huán)境中時(shí)，表示不同含義的相同符號(hào)將會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)生的辨別能力，引起針對(duì)符號(hào)概念本身的迷思觀點(diǎn).

以衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)為例，教材中的大量例題和練習(xí)都是衛(wèi)星圍繞中心天體的勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型，所以雙星系統(tǒng)和多星系統(tǒng)的題目出現(xiàn)時(shí)，學(xué)生的錯(cuò)誤率非常高.主要原因就是把萬(wàn)有引力定律中的距離和衛(wèi)星圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑當(dāng)成同一個(gè)物理量帶入方程運(yùn)算.類(lèi)似的例子還比如電動(dòng)勢(shì)E和電場(chǎng)強(qiáng)度E在含容電路中也經(jīng)常被混淆.

二、迷思概念轉(zhuǎn)變的建議

1.教材編制

建構(gòu)主義理論作為我國(guó)基礎(chǔ)教育課程改革的重要理論基礎(chǔ)，其思想在教科書(shū)中應(yīng)該有所體現(xiàn).教科書(shū)在教學(xué)中占有極為重要的地位，它不僅是教師教學(xué)時(shí)的依據(jù)，也是學(xué)生獲取知識(shí)的主要來(lái)源之一.因此，教科書(shū)在編制過(guò)程中不僅要符合課程的要求，還要充分考慮學(xué)生的已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，力求轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤的前概念.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀認(rèn)為學(xué)習(xí)是在學(xué)生已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，已有的經(jīng)驗(yàn)往往使學(xué)生形成了前概念.對(duì)于學(xué)生錯(cuò)誤的前概念，如果不能及時(shí)予以糾正，將會(huì)影響學(xué)生對(duì)新知識(shí)的同化和順應(yīng)，從而阻礙學(xué)生的學(xué)習(xí).針對(duì)那些容易使學(xué)生產(chǎn)生迷思概念的主題或者多數(shù)學(xué)生含有迷思概念的主題，有必要在教科書(shū)的編制過(guò)程中引入概念轉(zhuǎn)變的思想引導(dǎo)教學(xué).

2.教師觀念

《標(biāo)準(zhǔn)》要求：教科書(shū)應(yīng)為學(xué)生的自主發(fā)展創(chuàng)造條件，教師應(yīng)該努力促進(jìn)學(xué)教科書(shū)的直接聯(lián)系，在教師的影響下，發(fā)展和豐富學(xué)習(xí)的內(nèi)容，從而使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)活動(dòng)的主人，進(jìn)入自主學(xué)習(xí)的境界.這就要求教師要在觀念上進(jìn)行轉(zhuǎn)變.教師首先要重視迷思概念，認(rèn)識(shí)到迷思概念的存在，要充分地了解學(xué)生已有的迷思概念，把學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)作為新知識(shí)的生長(zhǎng)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中建構(gòu)出新的知識(shí).

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