王加元 陳燕

(江蘇省江陰市成化高級(jí)中學(xué)，江蘇 江陰 214423)

“萬(wàn)有引力理論的成就”是人教版高中物理必修2第六章的內(nèi)容，需要學(xué)生關(guān)注經(jīng)歷過(guò)程，注重科學(xué)探究，在《江蘇省普通高中學(xué)業(yè)水平測(cè)試(選修科目)說(shuō)明》中屬于Ⅱ級(jí)要求。本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)要求學(xué)生從模型建構(gòu)出發(fā)，通過(guò)科學(xué)推理、論證，體會(huì)萬(wàn)有引力定律的解釋和預(yù)測(cè)功能，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)萬(wàn)有引力理論的重要價(jià)值。通過(guò)本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)會(huì)了利用萬(wàn)有引力定律計(jì)算中心天體的質(zhì)量和天體的密度，也使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)定律對(duì)人類(lèi)探索未知世界的作用，讓學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

近些年我國(guó)航空航天事業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了載人航天、嫦娥奔月、神舟與天宮的成功對(duì)接，太空翱翔已不再是夢(mèng)想。筆者結(jié)合本節(jié)課的教學(xué)實(shí)際，為學(xué)生精心設(shè)計(jì)“太空旅程”，通過(guò)任務(wù)的形式逐步展開(kāi)教學(xué)過(guò)程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。設(shè)想現(xiàn)在神舟飛船已矗立在發(fā)射場(chǎng)，教師將帶領(lǐng)全班同學(xué)一起搭乘該飛船穿越時(shí)空，回到1846年9月23日去發(fā)現(xiàn)一個(gè)未知天體(PPT展示海王星圖片，但到第4部分學(xué)習(xí)時(shí)才指出是海王星)。

1 高軌環(huán)繞，定中心天體質(zhì)量

長(zhǎng)征運(yùn)載火箭發(fā)射升空后，飛船經(jīng)過(guò)成功變軌，在這個(gè)未知天體的高空軌道繞其做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，給出任務(wù)：構(gòu)建物理模型，思考飛船做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的條件。

圖1

思考1：能否依據(jù)這些已知條件計(jì)算出環(huán)繞天體(即飛船)的質(zhì)量?為什么?

從表達(dá)式可以看出，等式左右兩邊都含有飛船的質(zhì)量，可約去，因而我們只能計(jì)算出中心天體的質(zhì)量。同理，利用行星圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，可以計(jì)算出太陽(yáng)的質(zhì)量；利用衛(wèi)星圍繞地球轉(zhuǎn)，可以計(jì)算出地球的質(zhì)量，人們可以利用這一原理，通過(guò)觀測(cè)人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量地球質(zhì)量。

思考2：描述天體的物理量除了質(zhì)量外,還有天體的密度。若該天體半徑為R，密度可以求出嗎?

2 近地繞行，求中心天體密度

飛船做減速運(yùn)動(dòng)，重新穩(wěn)定時(shí)，軌道半徑變小，貼近該天體表面飛行。給出任務(wù)：僅已知此時(shí)飛船的運(yùn)行周期T，能否求出該天體的密度?

3 出艙考察，再探天體質(zhì)量與密度

飛船再次減速，并在該天體表面成功著陸，進(jìn)行出艙考察，能否再探尋出求該天體質(zhì)量的方法?

英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許在實(shí)驗(yàn)室比較準(zhǔn)確地測(cè)出引力常量G的數(shù)值，是第一個(gè)“稱(chēng)量地球”的人，他是如何做到的呢?

在地球的半徑R地和地球表面重力加速度g已知的情況下，只要測(cè)出引力常量G，就可以算出地球的質(zhì)量M地。而引力常量G恰恰就是他在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)扭秤裝置測(cè)得的。為此,著名文學(xué)家馬克·吐溫滿(mǎn)懷激情地說(shuō)：“科學(xué)真是迷人。根據(jù)零星的事實(shí)，增添一點(diǎn)猜想，竟能贏得那么多的收獲！”

接著，總結(jié)出解決天體問(wèn)題的兩條基本思路：一是環(huán)繞類(lèi)問(wèn)題，由萬(wàn)有引力提供向心力；二是在忽略天體自轉(zhuǎn)的影響下，重力近似等于萬(wàn)有引力。

4 回顧歷史，追溯天體發(fā)現(xiàn)歷程

與導(dǎo)入相呼應(yīng)，回顧這個(gè)天體的發(fā)現(xiàn)歷程。用PPT展示海王星的圖片(如圖2)，這個(gè)天體實(shí)際上是太陽(yáng)系的第8大行星——海王星，于1846年9月23日被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初海王星是如何被發(fā)現(xiàn)的?

圖2

早在18世紀(jì)，太陽(yáng)系已經(jīng)有7個(gè)大行星被發(fā)現(xiàn)，但是1781年被發(fā)現(xiàn)的第七大行星——天王星的運(yùn)動(dòng)軌道有些“古怪”，實(shí)際觀測(cè)的軌道與利用萬(wàn)有引力定律計(jì)算的結(jié)果總是有一些偏差。有人據(jù)此對(duì)萬(wàn)有引力定律提出質(zhì)疑，也有人推測(cè)天王星軌道外面還有一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星。

英國(guó)劍橋大學(xué)的學(xué)生亞當(dāng)斯和法國(guó)天文學(xué)家勒維耶都相信未知行星的存在。亞當(dāng)斯首先計(jì)算出了這顆未知行星的軌道，并把計(jì)算結(jié)果送到了英國(guó)格林尼治天文臺(tái)，可惜并未引起他人的關(guān)注。而勒維耶就要幸運(yùn)得多，在亞當(dāng)斯之后半年得到了與亞當(dāng)斯相同的結(jié)果，他找到德國(guó)天文學(xué)家伽勒，幫助尋找他所指出的那片天空是否有一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星。1846年9月23日晚，伽勒和他的助手迪阿雷斯特在勒維耶預(yù)言的位置附近果然發(fā)現(xiàn)了這顆行星，人們稱(chēng)其為“鉛筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星”。

5 結(jié)語(yǔ)

本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)通過(guò)精心預(yù)設(shè)的太空旅程，從環(huán)繞海王星運(yùn)行到降為低軌道飛行，接著登陸，最后從物理學(xué)史的角度回溯海王星的發(fā)現(xiàn)歷程。利用生動(dòng)的語(yǔ)言使“靜態(tài)”的教學(xué)內(nèi)容“動(dòng)”起來(lái)，使抽象、令人感到枯燥乏味的教學(xué)內(nèi)容變得富有吸引力，讓學(xué)生學(xué)到知識(shí)的同時(shí)也體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之樂(lè)。