羅振國

摘?要：高考試題立意新穎構思巧妙，這樣的“難題”讓物理教師和考生為難.如何運用在平時的教學中滲透的學科素養(yǎng)，在迎考復習中有針對性地訓練考生的科學思維能力，以達到提高考生的關鍵能力，這才是本文的出發(fā)點和最終目的.

關鍵詞：牛頓平拋設想;教學啟示;高考復習;核心素養(yǎng)

2019年高考北京卷第21題利用裝置考查了平拋運動，其中最后一問把牛頓關于人造衛(wèi)星的最初設想加入考查，盡管不是很難，但是試題的立意新穎度和高度都讓人耳目一新.物理教師被命題人的巧妙構思折服，同時也為以后的教學擔憂.這種“奇思怪想”的創(chuàng)新思維如何能在平時的教學中滲透呢？怎樣的復習才能提升考生的核心素養(yǎng)？筆者以萬有引力的教學內容為例來探討這個問題.

1?原題回放

用如圖1所示裝置研究平拋運動.將白紙和復寫紙對齊重疊并固定在豎直的硬板上.鋼球沿斜槽軌道PQ滑下后從Q點水平飛出，落在水平擋板MN上.由于擋板靠近硬板一側較低，鋼球落在擋板上時，鋼球側面會在白紙上擠壓出一個痕跡點.移動擋板，重新釋放鋼球，如此重復，白紙上將留下一系列痕跡點.

（1）～（4）不是本文的關注點，故省略.

（5）牛頓設想，將物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點就會一次比一次遠，如果拋出的速度足夠大時，物體就不再落回地面，它將繞地球做圓周運動，成為人造地球衛(wèi)星.同樣是受地球引力，隨著拋出速度增大，物體會從做平拋運動逐漸變?yōu)樽鰣A周運動，請分析原因.

參考答案：（5）物體初速度較小時，運動范圍很小，引力可以看作恒力——重力，做平拋運動;隨著物體初速度增大，運動范圍變大，引力不能再看作恒力;當物體初速度達到第一宇宙速度時，做圓周運動而成為地球衛(wèi)星.

2?尋根問底

本題涉及了牛頓當初設想：把平拋運動的物體拓展為地球衛(wèi)星或者逃離地球吸引的原理圖.而現行的教材是這樣簡單處理的：

教材中是用圓周運動推導出衛(wèi)星的第一宇宙速度，但是如何利用平拋來推導出第一宇宙速度卻沒有出現在現行的教材課本中，答案也是含糊其辭不能盡如人意.相信大家對此都頗感興趣，為了使大家深入地了解牛頓的偉大成果，現在整理如下：

如圖3所示，將地球視為一個理想的圓形球體，假設其半徑為R，一個物體從地面A點的正上方A′以速度v水平射出，該點到球心的距離設為r，則r≈R.t時間內，物體在水平方向移動的距離為A′D′=AD=L，豎直方向下降的距離為D′D≈y，（yr）.由于地球是球體，地球表面上D點（即圖中的水平面）也相對AD的水平面同樣也要下降了DB=y，這樣才能保證物體離地面高度是一樣的.在下一個t時間內也是同樣情景，依此類推下去，物體無終點自由下落的情況就演變成一顆繞地球做圓周運動的衛(wèi)星.

根據平拋規(guī)律得：L=vt，y=12gt2

因為ΔABE∽ΔACB，故：yL=L2R-y

略去微小量y2，近似可得：y≈L22R

將其代入平拋的公式，則t=LgR，v=gR=7.9km/s.

對比之后，我們發(fā)現教材中的推導與牛頓的設想還是有很大差距的.

3?教學的啟示

基于此，筆者認為要適應核心素養(yǎng)下的新高考，我們一定要及時更新教學行為，摒棄陳舊的觀念，認真學習物理學科核心素養(yǎng)的知識與理論，讓學生逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力.筆者認為上述的高考試題給我們三點教學啟示：

3.1?啟示一

在物理觀念的建立過程中，要重視學生的實際感受，從學生的生活實際出發(fā)，嚴謹地推導物理定律，不僅要做到知其然，還要知其所以然.

可見要弄清楚本題的答案，必須要了解牛頓推導過程的來龍去脈，這個對考生而言是非常有難度的，同時對我們的教學也是提出了不小的挑戰(zhàn).作為一名物理教師，我們一定要認真閱讀教材，并查詢相關的物理學史實，弄清細節(jié)的來龍去脈還原物理本真.物理是有趣的，物理是有用的，物理更是嚴謹的.教學中我們一定要懷著一顆敬畏之心對待科學，通過言傳身教的方式把嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學理念潛移默化地傳遞給學生，所謂“潤物細無聲”才是教育的最高境界，核心素養(yǎng)中的科學態(tài)度與責任才能真正地落到教學實處.

3.2?啟示二

要認真閱讀課本的“做一做、拓展一步、信息窗”等重要物理信息，并查缺補漏利用好課本的寶貴資源，盡可能地編好知識網絡，搭建好科學思維的平臺.

非常有意思的是司南版教材第五章第一節(jié)就有三處地方花費了較大的篇幅著重強調拓展教學的重要性，一節(jié)三拓展的情況在教材中是非常少見的，具體如下.

（1）如圖4所示，牛頓站在巨人的肩膀上推導出萬有引力定律.

（2）如圖5所示，牛頓著名的“月地檢驗”.

例題1?（2018年高考北京卷）若想檢驗“使月球繞地球運動的力”與“使蘋果落地的力”遵循同樣的規(guī)律，在已知月地距離約為地球半徑60倍的情況下，需要驗證

A.地球吸引月球的力約為地球吸引蘋果的力的1/602

B.月球公轉的加速度約為蘋果落向地面加速度的1/602

C.自由落體在月球表面的加速度約為地球表面的1/6

D.蘋果在月球表面受到的引力約為在地球表面的1/60

【答案】B

【解析】A.設月球的質量為M月，地球的質量為M，蘋果的質量為m

則月球受到的萬有引力為：F月=GMM月（60r）2

蘋果受到的萬有引力為：F=GMmr2

由于月球質量和蘋果質量之間的關系未知，故二者之間萬有引力的關系無法比較，故選項A錯誤;

B.根據牛頓第二定律：GMM月（60r）2=M月a月，GMmr2=ma

整理可以得到：a月=1602a，故選項B正確;

C.在月球表面處：GM月m′r月2=m′g月，由于月球本身的半徑大小未知，故無法求出月球表面和地面表面重力加速度的關系，故選項C錯誤;

D.蘋果在月球表面受到引力為：F′=GM月mr2月，由于月球本身的半徑大小未知，故無法求出蘋果在月球表面受到的引力與地球表面引力之間的關系，故選項D錯誤.

點睛：本題考查萬有引力相關知識，掌握萬有引力公式，知道引力與距離的二次方成反比，即可求解.

例題2?（2010年高考上海卷第15題）月球繞地球做勻速圓周運動的向心加速度大小為a，設月球表面的重力加速度大小為g1，在月球繞地球運行的軌道處由地球引力產生的加速度大小為g2，則

A.g1=aB.g2=aC.g1+g2=aD.g2-g1=a

解析：

根據月球繞地球做勻速圓周運動的向心力由地球引力提供，選B.

本題考查萬有引力定律和圓周運動.難度：中等.這個題出的好.

（3）如圖6所示，萬有引力常量的測量——卡文迪許的扭秤實驗.

測量原理：

扭轉力矩：M1=kθ

引力矩：M2=F引·L=Gmm′r2·L

由力矩平衡：M1=M2，得Gmm′r2·L=kθ 即：G=kr2θmm′L

體會兩次放大的物理思想：

1.T形架保持金屬絲豎直不偏，引力矩在同一水平面上，便于計算.4個球有2個力矩，既對稱平衡，又使力矩放大2倍.若用L形架和2個球則不能起到上面的一些作用

2.當金屬絲扭轉θ角，平面鏡扭轉θ角，反射光線轉過2θ角，起到第2次放大作用

引力常量測定的意義

（1）卡文迪許通過改變質量和距離，證實了萬有引力的存在及萬有引力定律的正確性.

（2）第一次測出了引力常量，使萬有引力定律能進行定量計算，顯示出真正的實用價值.

（3）標志著力學實驗精密程度的提高，開創(chuàng)了測量弱力的新時代.

例題3?（2010年高考上海卷第27題）卡文迪什利用如圖7所示的扭秤實驗裝置測量了引力常量G.

（1）（多選題）為了測量石英絲極微的扭轉角，該實驗裝置中采取使“微小量放大”的主要措施

A.減小石英絲的直徑

B.增大T型架橫梁的長度

C.利用平面鏡對光線的反射

D.增大刻度尺與平面鏡的距離

（2）已知T型架水平橫梁長度為L，質量分別為m、m′的球，位于同一水平面，當橫梁處于力矩平衡狀態(tài)，測得m、m′連線長度r，且與水平橫梁垂直;同時測得石英絲的扭轉角度為θ，由此得到扭轉力矩kθ（k為扭轉系數且已知），則引力常量的表達式G=.

【答案】：（1）CD（2）根據Gmm′r2·l=kθ，得G=kθr2mm′l.

筆者在這一章中還發(fā)現教材中關于萬有引力的拓展教學有好幾處，現梳理如下：

①萬有引力的公式推導;②月地檢驗的拓展;③萬有引力常量的微小量測量;④衛(wèi)星變軌的討論（“嫦娥”奔月）;⑤拉格朗日點的應用（同步衛(wèi)星的區(qū)別）;⑥未知星體的發(fā)現（追趕相遇問題）;⑦引力勢能在黑洞理論中的應用（第二宇宙速度的推導）;⑧衛(wèi)星發(fā)射中的超重與失重⑨雙星與多星模型等等.我們只有將生活中現象利用物理的觀念與規(guī)律進行抽象化建模，才能進一步引導學生運用分析綜合、推理論證等方法來解決實際問題，提高學生物理學科的關鍵能力.

3.3?啟示三

學會領會命題意圖，精選習題，做到有的放矢，重點放在科學思維能力的訓練與提升上.

高考試題側重考查考生的核心素養(yǎng)，試題情景大多來自于教材或者考生生活實際，但是命題立意又高于課本素材，對考生的關鍵能力要求較高.我們必須認真研究課程標準、考試大綱和經典高考試題，并不斷對比品讀教材，逐步去體會命題的意圖.這就要求我們在迎考階段要精選高考試題，有效訓練做到有的放矢.物理核心素養(yǎng)下的試題應該具有物理的必備知識、物理學科特色的關鍵能力、物理的學科素養(yǎng)和核心價值的屬性，體現出基礎性、綜合性、應用性和創(chuàng)新性四個特征.通過訓練含有四層四翼的高質量試題，我們復習的策略將更加有針對性，也能有效地提升考生的科學思維能力.見表1所示.

綜上所述，在核心素養(yǎng)涵蓋下的新高考，已經不能簡單地通過題海戰(zhàn)術來復習迎考.教師必須在新知識理論的要求下，重新審視自己的教學，認真地品讀課本，正確地建構物理概念，熟練地運用物理模型，高效地訓練科學思維.培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)、體現學科育人的價值的道路很艱辛，我們一直在路上.

參考文獻：

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（收稿日期：2019-12-30）