巧用影片素材情境 深入挖掘物理元素

摘 要：將電影素材中豐富的情境巧妙轉(zhuǎn)化為物理教育教學(xué)素材，豐富課堂教學(xué)，創(chuàng)設(shè)問題情境，有利于激發(fā)學(xué)生思維，打造物理特色“課堂思政”。本文以電影《流浪地球2》為例，深入挖掘其中的物理元素，探索將電影素材融入物理教學(xué)的實踐路徑。

關(guān)鍵詞：課程思政；情境素材；問題情境；物理教學(xué)；核心素養(yǎng)

1 引言

《中國高考評價體系說明》要求“進一步強調(diào)情境化設(shè)計，緊密聯(lián)系學(xué)生日常生活實際、國家發(fā)展和社會進步，擴展素材選取范圍，在現(xiàn)實的問題情境中考查學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展水平，從而推動關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)在教學(xué)和考試中的落實。”［1］教師應(yīng)以創(chuàng)設(shè)問題情境為切入點，以培養(yǎng)學(xué)生思維能力為核心，以提高學(xué)生認(rèn)知水平為重點，將發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)作為助力物理教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐。［2］

電影能為教學(xué)提供豐富的生活情境和跨學(xué)科實踐素材，這些素材能有機融入課堂教學(xué)實踐中。教師在將電影素材融入課堂教學(xué)的過程中時，一方面要堅守課程知識體系的科學(xué)性和重視知識與技術(shù)的傳授，另一方面要將課程思政有機融合到課程的知識教化之中，貫穿于講授過程，并體現(xiàn)在培養(yǎng)目標(biāo)上。［3］本文選取國產(chǎn)電影《流浪地球2》，深入挖掘其中的物理元素，探索將電影素材融入物理教學(xué)的實踐路徑，以期為基礎(chǔ)物理教育教學(xué)的情境素材創(chuàng)設(shè)提供參考。

2 《流浪地球2》素材轉(zhuǎn)化的實踐

《流浪地球2》中蘊含著豐富的物理元素。以人教版高中物理教材為參照，本文列出了影片的情節(jié)設(shè)定與對應(yīng)物理知識點（如表1所示）。利用好這一教學(xué)資源，有助于學(xué)生基于真實情境下發(fā)展學(xué)科及跨學(xué)科的問題解決能力，這對于促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展有重要價值。［4］

2.1 “太空電梯”

在《流浪地球2》的“太空電梯”設(shè)想中，工作人員從地球同步衛(wèi)星處伸出“繩索”垂到地面，并在地面一端固定，形成太空電梯的運行軌道。以“太空電梯”為突破口，教師將需要考查的“萬有引力定律”還原到真實的問題情境中，旨在彌合新舊知識的“認(rèn)知真空”，引導(dǎo)學(xué)生由表及里、抽絲剝繭地分析問題，從而幫助學(xué)生深化知識理解、提升認(rèn)知水平。此舉不僅為解決教學(xué)中淺表化、短視化的問題提供了新思路，也為探尋實現(xiàn)知識深度建構(gòu)的教學(xué)路徑指明了方向。本文基于該素材設(shè)計了如下例題。

例1 （原創(chuàng)）“太空電梯”構(gòu)想由被譽為“航天之父”的前蘇聯(lián)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基提出，時至今日，仍然具有極高價值。如果太空電梯能夠?qū)崿F(xiàn)（如圖1所示），則可以大幅提高人類的航天能力，幫助人類更快地建設(shè)空間站、太空發(fā)電站等設(shè)施。為了建造太空電梯，人類提出一種構(gòu)想：在地球同步衛(wèi)星中將“纜繩”從太空投下，將其固定在地面上（如圖2所示）。引力常量G取6.67×10－11N·m2/kg2，地球質(zhì)量約為5.97×1024kg，把地球看成質(zhì)點。請回答下列問題：

（1）太空電梯的重心到地面的高度為多少？

（2）太空電梯需要配重嗎？

第（1）問的解析如下。

設(shè)地球和同步衛(wèi)星的質(zhì)量分別為M、m，兩者之間的距離為r。

同步衛(wèi)星只受到地球的引力作用，萬有引力提供衛(wèi)星做圓周運動所需的向心力，有

GMmr2＝mv2r＝mω2r，①

將線速度的表達式v＝2πrT代入向心力，得

r＝3GMT24π2。②

將同步衛(wèi)星的周期T＝24h代入式②，得

r≈4.22×104km，③

所以太空電梯的重心到地面的高度約為4.22×104km。

對于第（2）問，在建造太空電梯過程中，需要從同步衛(wèi)星伸出“繩索”垂到地面。然而，隨著“繩索”逐漸下放，萬有引力的作用增強，離心力相對減弱，“繩索”會對同步衛(wèi)星產(chǎn)生一個向內(nèi)的拉力。為了保持衛(wèi)星受力平衡和穩(wěn)定運行，需要在向下放“繩索”過程中，向上“扔”配重物體，這些配重將產(chǎn)生向外的反作用力，以此抵消繩索對衛(wèi)星的向內(nèi)拉力，從而確保同步衛(wèi)星能夠維持其原有的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 “行星發(fā)動機”

在《流浪地球2》的“逐月計劃”實施過程中，人類利用三臺巨型“行星發(fā)動機”噴射氣體，從而產(chǎn)生強大推力，將月球從其繞地球的運行軌道上推離。這些安裝在月球邊緣的“行星發(fā)動機”可以產(chǎn)生沿月球公轉(zhuǎn)軌道切線方向的推力，確保所有動能都用于加速過程，從而提高能量的利用率。創(chuàng)設(shè)“拋棄月球”這一新穎情境，不僅是啟迪學(xué)生知識創(chuàng)新的有效途徑，還能有效激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索欲，幫助學(xué)生建構(gòu)全方位、多層次、立體化的知識網(wǎng)絡(luò)，并促進學(xué)生在實踐能力、創(chuàng)新意識和良好行為表現(xiàn)方面的全面發(fā)展。本文基于該素材設(shè)計了如下例題。

例2 （原創(chuàng)）在《流浪地球2》中，通過安裝在月球上的行星發(fā)動機噴射氣體，依靠重核聚變提供動力，可以將月球推離其繞地球運行的軌道，為地球的“逃逸”創(chuàng)造條件。根據(jù)所學(xué)知識，判斷下列說法正確的是（" ）。

A. 在月球繞地球轉(zhuǎn)動的過程中，我們可以看到月球的“兩面”

B. 兩個較重的原子核聚變在一起，形成一個更重的原子核，會釋放出一些能量

C. 月球發(fā)動機爆炸后，月球應(yīng)該以自由落體運動墜向地球

D. 地月引力不會對地球造成影響

解析：月球自轉(zhuǎn)一周的時間與繞地球公轉(zhuǎn)一周的時間相同，并且轉(zhuǎn)動方向一致，因此從地球上看月球時，我們只能看到月球的一面，這種現(xiàn)象在天文學(xué)上被稱為潮汐鎖定，故選項A錯誤。在核反應(yīng)過程中，兩個原子核的質(zhì)量之和大于所形成原子核的質(zhì)量，多出的質(zhì)量可以根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程判斷其轉(zhuǎn)化為了能量，故選項B正確。在月球發(fā)動機爆炸后，月球繞地球公轉(zhuǎn)并沒有剎停，而是調(diào)整為偏心率很高的橢圓軌道，月球沿螺旋軌道墜落，故選項C錯誤。月球?qū)Φ厍虻奈蛻T性離心力的合力是引潮力，在地球朝向月亮一側(cè)和背離月亮一側(cè)會形成漲潮，導(dǎo)致潮汐效應(yīng)，故選項D錯誤。

2.3 “洛希極限”

在《流浪地球2》中，安裝在月球上的行星發(fā)動機發(fā)生損毀。月球在突破“洛希極限”失控并撞上地球前，它將因為地球引力和離心力的作用被撕碎，產(chǎn)生的高速碎塊會墜向地面，從而引發(fā)“月球墜落危機”。教師在教學(xué)過程中可巧妙鋪設(shè)影片情境，將復(fù)雜的“洛希極限”問題簡化為基礎(chǔ)物理模型，以學(xué)生為主體建構(gòu)情境交互教學(xué)模式，推動學(xué)生知識建構(gòu)與認(rèn)知思維的雙向互動。本文設(shè)計的例題如下。

例3 （原創(chuàng)）“洛希極限”指一個天體自身的引力與另一個天體施加的潮汐力相等時，兩個天體中心間的距離（如圖3所示）。在《流浪地球2》中由于月球發(fā)動機損壞，月球即將突破洛希極限，造成月球墜落危機。已知地球的平均密度ρ地＝5.52g/cm3，月球的平均密度ρ月＝3.34g/cm3，地月中心間的距離遠遠大于月球的半徑，請問地月系統(tǒng)的“洛希極限”是多少？［忽略月球幾何形狀的改變，將月球視為剛體球，若x1，則（1＋x）－2≈1－2x］

解析：設(shè)地球和月球的質(zhì)量分別為M地、M月，半徑分別為R地、R月，地月中心間的距離為d，靠近地球一側(cè)的物體質(zhì)量為m。

由萬有引力定律可知，月球?qū)ξ矬w的引力為

F引＝GM月mR2月。④

地球?qū)ξ矬w的引潮力為

F潮＝GM地m（d－R月）2－GM地md2。⑤

由于dR月，則

1（d－R月）2≈1d21＋2R月d，⑥

引潮力化簡為

F潮＝G2M地mR月d3。⑦

當(dāng)物體所受引力與引潮力相等時，達到洛希極限，即

GM月mR2月＝G2M地mR月d3，⑧

解得

d＝R月32M地M月。⑨

將M地＝4π3ρ地R3地、M月＝4π3ρ月R3月代入洛希極限表達式，則

d＝R地32ρ地ρ月。⑩

代入ρ地＝5.52g/cm3、ρ月＝3.34g/cm3，解得

d≈1.49R地，B11

所以地月系統(tǒng)的“洛希極限”約為1.49R地。

實際上，在月球靠近地球的過程中，由于地球強大的引力作用，月球的幾何形狀會顯著變化，因此不能簡單地將月球視為剛體模型來處理。此時應(yīng)考慮月球的流體模型及其對應(yīng)的洛希極限效應(yīng)，基于這種模型分析，月球?qū)嶋H解體的位置會比按照剛體模型預(yù)測的結(jié)果更遠。

2.4 “相控陣引爆”

在《流浪地球2》中，為了應(yīng)對月球撞向地球的危機，人們在月球表面布置了大量核彈，形成陣列，利用相控陣原理設(shè)定了不同的爆炸時間間隔。這樣，當(dāng)所有核彈按預(yù)定時間依次爆炸時，所產(chǎn)生的沖擊波能量將在月核位置疊加，瞬間產(chǎn)生超高溫，引發(fā)月核聚變。試題開頭以“危難當(dāng)前，唯有責(zé)任”這一句話作為“火種”，引人深思，彰顯中華民族的強大精神動力，滲透愛國主義核心價值觀。這樣的設(shè)計旨在幫助學(xué)生理解家國情懷的內(nèi)涵與時代價值，從而使學(xué)生從中汲取精神力量，為全面推進中華民族偉大復(fù)興而不懈奮斗。本文設(shè)計的例題如下。

例4 （原創(chuàng)）“危難當(dāng)前，唯有責(zé)任”是中國人的愛國情懷，是中國人獨特的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。在《流浪地球2》中，為了應(yīng)對月球墜落危機，人類采用相控陣技術(shù)，由航天員手動引爆核彈使月球解體，此后地球踏上了孤獨的流浪之旅。相控陣技術(shù)利用核爆沖擊波的干涉原理，降噪耳機采用聲波疊加抵消原理，兩者均與波的疊加有關(guān)。根據(jù)所學(xué)知識，判斷下列說法正確的是（" ）。

A. 振動方向相同，頻率不同的兩列波可以發(fā)生干涉

B. 噪聲聲波與反相位聲波的相位差φ＝2nπ（n＝0，1，2，…）

C. 主動降噪通過包圍耳朵形成封閉空間，或者采用隔音材料阻擋外界噪聲

D. 通過控制相控陣天線發(fā)射的電磁波，可以實現(xiàn)波峰疊加

解析：發(fā)生干涉的條件需要滿足頻率相同、相位差恒定、振動方向相同，故選項A錯誤。當(dāng)噪聲聲波與反相位聲波相位差φ＝（2n＋1）π（n＝0，1，2，…）時，可以降低噪聲振幅，故選項B錯誤。主動降噪是通過降噪系統(tǒng)產(chǎn)生與外界噪音相等的反向聲波，將噪音中和，從而實現(xiàn)降噪的效果；被動降噪是通過包圍耳朵形成封閉空間，或者采用隔音材料阻擋外界噪聲，故選項C錯誤。通過控制相控陣天線發(fā)射

的電磁波，可以實現(xiàn)波峰疊加，在特定方向形成波束，故選項D正確。

3 結(jié)語

深入挖掘影片中的物理元素，并將其轉(zhuǎn)化為教學(xué)素材融入物理課堂教學(xué)之中，不僅為創(chuàng)設(shè)新穎問題情境提供豐富的素材來源，還能有效促進學(xué)生科學(xué)知識體系的有意義建構(gòu)。這一過程不僅培育了學(xué)生實踐創(chuàng)新思維，還幫助學(xué)生提升了高階認(rèn)知思維能力，從而推動物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效落實。在實際教學(xué)中，教師要立足學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)，緊扣教學(xué)重難點，精篩問題情境，為物理課堂教學(xué)質(zhì)量的提升賦能。

參考文獻

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