基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的問(wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)課例

廖佛彬

【摘要】培養(yǎng)科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵因素之一。問(wèn)題能夠啟發(fā)思維，培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。作為高中物理教師要精心設(shè)計(jì)好問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)答式教學(xué)，逐步引導(dǎo)學(xué)生層層深入思考，訓(xùn)練學(xué)生的邏輯推理能力，培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S能力。

【關(guān)鍵詞】高中物理;問(wèn)題導(dǎo)向;科學(xué)思維;核心素養(yǎng)

在高中物理課堂中運(yùn)用問(wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)對(duì)打開(kāi)高中生的物理科學(xué)思維極有裨益。所謂問(wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)，即在教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)一些啟示學(xué)生思考的問(wèn)題，調(diào)整好問(wèn)題的先后及邏輯關(guān)系，并逐步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，進(jìn)行互動(dòng)交流致力于解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

本文以《萬(wàn)引力定律的應(yīng)用》為例談?wù)剢?wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)過(guò)程，通過(guò)設(shè)計(jì)一系列的問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考，層層剖析，得出論斷，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

一、萬(wàn)有引力與重力的關(guān)系

回顧萬(wàn)有引力定律的內(nèi)容以及重力的知識(shí)。

研討問(wèn)題：重力是不是萬(wàn)有引力？重力與萬(wàn)有引力有什么關(guān)系？

提出問(wèn)題①：地球表面的物體隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，圓心是不是地心？半徑是不是地球半徑R？

圓心在垂直于地軸的位置，而不是地心，半徑r=Rcosθ（θ表示物體所在緯度）。

提出問(wèn)題②：物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)由什么力充當(dāng)向心力？

受力分析尋找向心力的來(lái)源，物體受地球的萬(wàn)有引力和支持力作用，萬(wàn)有引力的一個(gè)分力提供向心力，另一個(gè)分力與支持力平衡，表現(xiàn)為重力。

提出問(wèn)題③：物體做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力相對(duì)于其所受萬(wàn)有引力大小如何？

試算1千克的物體在赤道處所受的萬(wàn)有引力大小，代入數(shù)值得，而物體所需向心力大小，算得向心力，即所需向心力遠(yuǎn)小于萬(wàn)有引力的大小。

結(jié)論：地球表面上的物體所受重力近似等于所受的萬(wàn)有引力，即。

二、計(jì)算天體的質(zhì)量

提出問(wèn)題①：地球質(zhì)量無(wú)法用天平稱(chēng)量，怎么樣稱(chēng)量地球的質(zhì)量呢？

依據(jù)，可推出。地球半徑R和重力加速度g早已被測(cè)量出來(lái)，當(dāng)卡文迪許把萬(wàn)有引力常量G測(cè)出來(lái)后就意味著可以測(cè)出地球質(zhì)量了?？ㄎ牡显S因此而被譽(yù)為“稱(chēng)出地球質(zhì)量的第一人”。

提出問(wèn)題②：能不能用這個(gè)方法求出太陽(yáng)質(zhì)量呢？

因?yàn)樘?yáng)表面加速度和太陽(yáng)半徑不知道，所以無(wú)法用這種方法求出太陽(yáng)質(zhì)量。

提出問(wèn)題③：能不能用行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)去計(jì)算呢？地球繞太陽(yáng)是怎么運(yùn)動(dòng)的？

開(kāi)普勒定律告訴我們，地球繞太陽(yáng)做橢圓運(yùn)動(dòng)，可以近似看成做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

提出問(wèn)題④：地球繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由什么力提供向心力？

由太陽(yáng)對(duì)地球的萬(wàn)有引力提供向心力，，得，即知道地球公轉(zhuǎn)周期和半徑，就可求出太陽(yáng)質(zhì)量。

提出問(wèn)題⑤：能不能用萬(wàn)有引力提供向心力的方法求地球質(zhì)量呢？要已知什么物理量？

已知環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星運(yùn)行情況，如軌道半徑和線速度、軌道半徑和角速度、軌道半徑和周期，運(yùn)用

萬(wàn)有引力提供向心力列方程，，可得、、。

結(jié)論：求天體質(zhì)量的兩種思路：一是萬(wàn)有引力近似等于重力的方法（簡(jiǎn)稱(chēng)表面法），二是由萬(wàn)有引力提供向心力的方法（簡(jiǎn)稱(chēng)繞行法）。

三、人造衛(wèi)星宇宙速度

提出問(wèn)題①：地球的人造衛(wèi)星是怎么樣發(fā)射上去的呢？

牛頓在300多年前就提出設(shè)想，如果在一座高山上水平發(fā)射炮彈，物體將會(huì)掉回地面，如果發(fā)射速度增大，炮彈落點(diǎn)離發(fā)射點(diǎn)更遠(yuǎn)，類(lèi)似于平拋，如果速度達(dá)到一定程度可以打到地球另一側(cè)，如洲際導(dǎo)彈。速度越大，打得越遠(yuǎn)，但還是掉回了地面，沒(méi)有成為人造地球衛(wèi)星。

提出問(wèn)題②：掉回地面的原因是什么？物體做得是什么運(yùn)動(dòng)？

由于物體受到的萬(wàn)有引力大于需要的向心力大小，物體做靠近圓心的運(yùn)動(dòng)。

提出問(wèn)題③：怎樣才能使物體繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)而不掉回地面呢？

增大發(fā)射速度，物體所需的向心力變大，使得剛好等于提供的萬(wàn)有引力。

提出問(wèn)題④：需要多大的發(fā)射速度才能使物體繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)呢？

根據(jù)，得出，因山峰高度遠(yuǎn)小于地球半徑，物體離球心的半徑r近似等于地球半徑R，代入數(shù)值求得v=7.9km/s，稱(chēng)為地球的第一宇宙速度，也叫環(huán)繞速度，它是在地球上發(fā)射人造地球衛(wèi)星所需要的最小發(fā)射速度。

提出問(wèn)題⑤：有沒(méi)有其他方法可以推算地球的第一宇宙速度？

地球表面物體所受的重力大小近似等于萬(wàn)有引力大小，相當(dāng)于重力提供向心力，即，得出v==7.9km/s。

提出問(wèn)題⑥：假如物體的發(fā)射速度持續(xù)增大，物體將會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)？

物體所受萬(wàn)有引力小于需要的向心力，物體將做遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)。

提出問(wèn)題⑦：在遠(yuǎn)離圓心的過(guò)程中，速度大小怎么變？

萬(wàn)有引力F與速度v兩者方向的夾角是鈍角，速度會(huì)減小。

提出問(wèn)題⑧：最終物體會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)？

當(dāng)速度小到一定程度，物體所需的向心力小于提供的萬(wàn)有引力時(shí)，物體又會(huì)做靠近圓心的運(yùn)動(dòng)，最終形成橢圓運(yùn)動(dòng)。發(fā)射的速度越大，橢圓的遠(yuǎn)地點(diǎn)越遠(yuǎn)。當(dāng)速度大到一定程度，太陽(yáng)對(duì)物體的吸引力大于地球的引力，物體將會(huì)脫離地球的束縛，不在繞地球運(yùn)行而成為太陽(yáng)的一顆小行星，所需要的最小發(fā)射速度是11.2km/s，稱(chēng)為第二宇宙速度，也叫脫離速度。

提出問(wèn)題⑨：如果發(fā)射的速度繼續(xù)增大，物體有可能會(huì)怎么樣？

當(dāng)發(fā)射速度達(dá)到16.7km/s時(shí)，物體將會(huì)脫離大陽(yáng)的吸引，飛出太陽(yáng)系。這一發(fā)射速度稱(chēng)為第三宇宙速度，也稱(chēng)逃逸速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊靖華.物理學(xué)科教學(xué)中的核心素養(yǎng)培養(yǎng)[J].教育·校長(zhǎng)參考， 2020.

[2]華小建.問(wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)，推開(kāi)物理思維之門(mén)[J].數(shù)據(jù)化解題研究，2019.

[3]李國(guó)華.再談重力與萬(wàn)有 引力的關(guān)系及中學(xué)階段的教學(xué)處理方法[J].教學(xué)實(shí)踐，2017.