陸小華
(蒼南縣礬山高級(jí)中學(xué) 浙江 溫州 325807)
2011年3月14日,筆者有幸參加了浙江省蒼南縣靈溪第二高級(jí)中學(xué)舉行的“特級(jí)教師伴我行”物理教學(xué)活動(dòng),聆聽(tīng)了一位特級(jí)教師的精彩示范課——太陽(yáng)與行星間的引力.課上雖然沒(méi)有采用媒體教學(xué),但是憑借教師深厚的物理教學(xué)功底,幽默風(fēng)趣的語(yǔ)言,特別注重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力,強(qiáng)調(diào)大膽質(zhì)疑與猜測(cè),小心求證,使一節(jié)本來(lái)很枯燥與艱深的物理理論課變得生動(dòng)活潑,深深吸引和感染了學(xué)生,贏得了同行與學(xué)生的陣陣掌聲.由于課時(shí)進(jìn)度的關(guān)系,一個(gè)星期后,筆者按照該教學(xué)理念與教學(xué)思路做了稍稍改動(dòng),在施教的班級(jí)模擬,但課上不但沒(méi)有掌聲,反而實(shí)效性比平時(shí)都差,學(xué)生一點(diǎn)興趣都提不起來(lái).面對(duì)這種尷尬的局面,筆者重整思路,第二天,在大膽的改動(dòng)與嘗試下,效果非凡.
師:前面我們研究了行星運(yùn)動(dòng)的三定律,請(qǐng)同學(xué)們用自己的語(yǔ)言來(lái)描述一下.
生:橢圓軌道定律、等面積定律、半長(zhǎng)軸立方比周期平方定律.(開(kāi)普勒三定律)
點(diǎn)評(píng):化教師主導(dǎo)為學(xué)生主體,讓學(xué)生有話說(shuō),在理解學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)上養(yǎng)成知識(shí)內(nèi)化的習(xí)慣,同時(shí)為這一節(jié)的引入打下伏筆.
師:既然行星運(yùn)動(dòng)的軌道是橢圓,那么要做怎樣的處理才能求出橢圓運(yùn)動(dòng)加速度公式呢?
生:把它看成圓周運(yùn)動(dòng)或勻速圓周運(yùn)動(dòng),把軌道微分為無(wú)數(shù)個(gè)圓弧……
師:微分為無(wú)數(shù)個(gè)圓弧的方法很好,但是我們只能找到該圓弧上的向心加速度規(guī)律,沒(méi)有普遍性,而看成圓周運(yùn)動(dòng)則要“大膽”,你敢嗎 ?看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)則要“膽大包天”!
學(xué)生陷入了沉思.
點(diǎn)評(píng):對(duì)每一個(gè)學(xué)生做到合理點(diǎn)評(píng),以激勵(lì)為主.激發(fā)學(xué)生大膽猜測(cè).
師:其實(shí),看成圓周運(yùn)動(dòng)是很科學(xué)的.我們一起來(lái)看看八大行星運(yùn)動(dòng)的軌道數(shù)據(jù),找找有什么規(guī)律.
媒體出示表1.
表1 八大行星軌道數(shù)據(jù)
生:半長(zhǎng)軸與半短軸幾乎相等.
師:你這“幾乎”二字,我倒覺(jué)得差蠻遠(yuǎn)的!為什么呀?
生:?jiǎn)挝皇?06km .
師:那對(duì)嘛?為什么?
生:對(duì)吧!相對(duì)于半長(zhǎng)軸、半短軸的長(zhǎng)度來(lái)講,是一個(gè)很小的量.
師:對(duì),我也是這么想的,真是“英雄所見(jiàn)略同”.
生:哈哈……
點(diǎn)評(píng):忽略次要,突出主要,小心求證,讓學(xué)生在大膽猜測(cè)的過(guò)程中形成縝密的邏輯思維.
師:那憑什么可以看成是“勻速”圓周運(yùn)動(dòng)呢?大家找找自己的理論依據(jù).
學(xué)生相互討論,說(shuō)不出什么道理.
師:看作圓周運(yùn)動(dòng),請(qǐng)問(wèn)你把太陽(yáng)的位置擱哪?
生:圓心??!
師:那這時(shí)候開(kāi)普勒的三定律我們?cè)鯓雍?jiǎn)化?
師:要我說(shuō)就兩個(gè):勻速圓周運(yùn)動(dòng)定律,半徑立方比周期平方定律.
學(xué)生用興奮的眼光看了看……
圖1
師:我們一起來(lái)構(gòu)建這個(gè)運(yùn)動(dòng)模型好不好?
媒體出示勻速圓周運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)模型,如圖1所示.
點(diǎn)評(píng):層層遞進(jìn),凸顯模型構(gòu)建過(guò)程,教給學(xué)生處理問(wèn)題的方法.
師:行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)需要幾個(gè)條件?
生:兩個(gè),線速度與向心力.
師:向心力由誰(shuí)來(lái)提供呢?
生:太陽(yáng)對(duì)行星的引力.
師:大家的膽子挺大的!可物理學(xué)史上不是那么一帆風(fēng)順.首先我們來(lái)了解幾代人的觀點(diǎn).
教師邊講邊媒體展示:
(1)伽利略:一切物體都有合并的趨勢(shì),這種趨勢(shì)導(dǎo)致物體做圓周運(yùn)動(dòng);
(2)開(kāi)普勒:受到了來(lái)自太陽(yáng)的類似于磁力的作用;
(3)笛卡兒關(guān)于行星的周圍有旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)(以太)作用在行星上,使得行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng);
(4)胡克、哈雷等關(guān)于受到了太陽(yáng)對(duì)它的引力,證明了如果行星的軌道是圓形的,其所受的引力大小跟行星到太陽(yáng)的距離的二次方成反比,但沒(méi)法證明在橢圓軌道規(guī)律也成立;
(5)牛頓關(guān)于如果太陽(yáng)和行星間的引力與距離的二次方成反比,則行星的軌跡是橢圓,并且闡述了普遍意義下的萬(wàn)有引力定律.
生:對(duì)“以太”物質(zhì)存在的想法,覺(jué)得很荒謬.
點(diǎn)評(píng):對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理學(xué)史教育,培養(yǎng)科學(xué)探究不畏艱辛的品質(zhì),形成科學(xué)的世界觀.
師:今天我們就追尋牛頓的足跡,探討太陽(yáng)對(duì)行星的引力與哪些因素有關(guān).
2.2.1 太陽(yáng)對(duì)行星的引力FSP
圖2
媒體展示靜態(tài)模型情境(圖2).設(shè)某顆行星的質(zhì)量為m,速度為v,行星到太陽(yáng)的距離為r,則行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由誰(shuí)來(lái)提供,需要多大?
師:我們一起來(lái)推導(dǎo),老師可能會(huì)犯錯(cuò)誤,你們一定要幫幫我喲!
師:在當(dāng)時(shí),線速度v是無(wú)法測(cè)量的,那么在天文觀測(cè)中應(yīng)該怎樣表示向心力呢?
師:現(xiàn)有個(gè)疑惑,從表達(dá)式看,太陽(yáng)對(duì)行星的引力應(yīng)該與半徑r成正比,而胡克說(shuō)“引力大小跟行星到太陽(yáng)的距離的二次方成反比”,問(wèn)題出在哪兒呢?
生:這里周期T不是定值,所以不能這么說(shuō).
師:謝謝你們幫了個(gè)大忙,解決了我這個(gè)困惑.那什么情況下與距離的二次方成反比?接下來(lái)該如何解決這個(gè)問(wèn)題?
點(diǎn)評(píng):充分肯定與相信學(xué)生,用詼諧的語(yǔ)言把問(wèn)題在和諧的氣氛中拋給學(xué)生,化學(xué)生被動(dòng)為主動(dòng),拉近師生之間的距離.
生:可以,因?yàn)閙是行星的質(zhì)量,k是個(gè)常數(shù).
師:很好,但是要知道這個(gè)常數(shù)k與什么有關(guān)啊.
生:中心天體,太陽(yáng)??!
點(diǎn)評(píng):小心求證,大膽拓步.k的相關(guān)要素的涉及為接下來(lái)討論行星對(duì)太陽(yáng)的引力打下伏筆.
2.2.2 行星對(duì)太陽(yáng)的引力FPS
師:太陽(yáng)對(duì)行星有引力作用,那么行星對(duì)太陽(yáng)是否也有引力呢?你的理論依據(jù)是什么?
生:當(dāng)然有,作用力與反作用力的關(guān)系 (牛頓第三定律).
點(diǎn)評(píng):?jiǎn)栴}轉(zhuǎn)化,引出行星對(duì)太陽(yáng)的引力FPS探討,讓學(xué)生應(yīng)用物理規(guī)律,活學(xué)活用.
師:行星對(duì)太陽(yáng)的引力與哪些因素有關(guān)呢?我們應(yīng)該以誰(shuí)為研究對(duì)象?
生:太陽(yáng)的質(zhì)量M, 太陽(yáng)到行星的距離r, 以太陽(yáng)為研究對(duì)象.
點(diǎn)評(píng):讓學(xué)生學(xué)會(huì)類推的研究方法,大膽嘗試.
師:行星對(duì)太陽(yáng)的引力FPS怎么表示?
圖3
媒體出示靜態(tài)模型(圖3).
師:表達(dá)式里k與前面一樣嗎?若不一樣怎樣修改?
2.2.3 太陽(yáng)與行星間的引力F
師:現(xiàn)在,我們來(lái)歸納一下太陽(yáng)與行星間的引力有關(guān)的幾個(gè)因素.
生:行星的質(zhì)量m,太陽(yáng)的質(zhì)量M,它們之間的距離r.
點(diǎn)評(píng):培養(yǎng)學(xué)生概括,以及綜合處理問(wèn)題的能力,拓展到本節(jié)要解決的本質(zhì)問(wèn)題,太陽(yáng)與行星間的引力F.
師:如何定性地寫出太陽(yáng)與行星間的引力F的表達(dá)式?
師:憑什么說(shuō)是Mm呢?(M+m)難道不行嗎?
學(xué)生興奮地看著教師,微笑著,表情很“無(wú)奈”,又一次陷入了沉思.
師:我們不妨從前面兩個(gè)力之間的關(guān)系找找理由.
點(diǎn)評(píng):關(guān)鍵時(shí)刻,合理引導(dǎo),又一次拉近師生之間的距離.
生:FSP=FPS.
師:這里邊k,M與誰(shuí)有關(guān)?k′,m又與誰(shuí)有關(guān)?
生:k,M僅僅與太陽(yáng)有關(guān),k′,m僅僅與行星有關(guān).
師:太陽(yáng)系有八大行星,如果是另外的一顆行星,關(guān)系式會(huì)如何?大家猜想一下有怎樣的規(guī)律.
點(diǎn)評(píng):降低臺(tái)階,合理引導(dǎo),激發(fā)學(xué)生的大膽猜測(cè).
點(diǎn)評(píng):合理質(zhì)疑,培養(yǎng)學(xué)生縝密的邏輯思維能力.
師:那么把k或k′帶入又會(huì)有怎樣的發(fā)現(xiàn)?
點(diǎn)評(píng):激勵(lì)學(xué)生,用欣賞與發(fā)展的眼光來(lái)看待學(xué)生.
師:我們一起來(lái)總結(jié)一下太陽(yáng)與行星間的引力.
師:這里邊各個(gè)符號(hào)的物理含義是什么?
媒體出示靜態(tài)模型圖4.
圖4
師生:M為太陽(yáng)的質(zhì)量,m為行星的質(zhì)量,r為行星到太陽(yáng)的距離或者是軌道半徑(強(qiáng)調(diào)不是天體半徑R),G為引力常量,與行星、太陽(yáng)均無(wú)關(guān).
太陽(yáng)與行星間的引力是一對(duì)作用力與反作用力,大小相等方向相反,在二者的連線上;使用范圍為太陽(yáng)與行星間的引力.
點(diǎn)評(píng):充分理解牛頓的引力定律,突出重點(diǎn).
師:除了太陽(yáng)對(duì)行星有引力外.其他行星之間是否也存在引力呢?
生:有吧!應(yīng)該也滿足牛頓引力定律.
師:很好!其實(shí)這也是導(dǎo)致行星運(yùn)動(dòng)軌道是橢圓的直接原因.大家已經(jīng)有了大膽猜測(cè)的習(xí)慣,下一節(jié)中我們將會(huì)用實(shí)驗(yàn)加以檢驗(yàn).
師:除了天上的物體(天體)之間存在引力,那么人間(地上)的萬(wàn)物呢?比方你與同桌之間?
生(微笑著):有?。?/p>
師(指著一個(gè)男生一個(gè)女生):那你們倆怎么沒(méi)有吸在一起?
生(趕緊給自己找理由):因?yàn)槲覀兊馁|(zhì)量很小??!呵呵呵!
師:看來(lái),同學(xué)們已經(jīng)完全理解了牛頓引力定律,無(wú)形中把它推廣到了宇宙的萬(wàn)物,非常了不起!確實(shí),牛頓的引力定律統(tǒng)一了天上與人間,具有普適性與統(tǒng)一性.
師:其實(shí),今天我們就解決了一個(gè)問(wèn)題,向心力的問(wèn)題.那速度呢?天體的初速度由誰(shuí)提供呢?
生(非常好奇):天生的吧!上帝給的!宇宙大爆炸?不知道!
師:大家非常了不起.當(dāng)時(shí)很多科學(xué)家就是這么想的,包括牛頓.晚年的他在研究行星為什么會(huì)圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于信奉上帝,認(rèn)為除萬(wàn)有引力的作用外,還有一個(gè)“切線力”,這個(gè)“切線力”只能是來(lái)自上帝的“第一推動(dòng)力” ,從而研究神學(xué),走入歧途!那是多么的遺憾啊.直到今天,仍然是仁者見(jiàn)仁,智者見(jiàn)智.課后同學(xué)們可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)或科普作品,互相探討.
點(diǎn)評(píng):讓學(xué)生從教材中走出來(lái),依托科學(xué)的魅力產(chǎn)生無(wú)限的想象,體現(xiàn)物理思想的美麗.
這是一節(jié)能充分體現(xiàn)教師新課程理念的理論探究課.教師深入地解讀了教材與教學(xué)指導(dǎo)意見(jiàn),課上對(duì)教材做了大膽的嘗試,采取了知識(shí)點(diǎn)細(xì)化和分層,很好地落實(shí)了三維目標(biāo).課堂上,師生融為一體,學(xué)生思維緊張而又活躍,行動(dòng)上忙碌而又充實(shí),心情上放松而又愉快,最大限度地參與了學(xué)習(xí)過(guò)程,充分體現(xiàn)了“教師主導(dǎo),學(xué)生主體”的新課程理念.教師通過(guò)設(shè)計(jì)一系列問(wèn)題情境引導(dǎo)學(xué)生討論、分析、大膽猜想和邏輯推理,讓學(xué)生通過(guò)解決問(wèn)題參與學(xué)習(xí)過(guò)程.本案例中教師用的最多方法是巧設(shè)問(wèn)題情境,讓學(xué)生大膽地質(zhì)疑與猜測(cè),培養(yǎng)了學(xué)生“小心求證”和縝密的邏輯推理能力,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.