王加元 陳燕

(江蘇省江陰市成化高級中學，江蘇 江陰 214423)

“萬有引力理論的成就”是人教版高中物理必修2第六章的內(nèi)容，需要學生關(guān)注經(jīng)歷過程，注重科學探究，在《江蘇省普通高中學業(yè)水平測試(選修科目)說明》中屬于Ⅱ級要求。本節(jié)內(nèi)容的教學要求學生從模型建構(gòu)出發(fā)，通過科學推理、論證，體會萬有引力定律的解釋和預測功能，讓學生認識萬有引力理論的重要價值。通過本節(jié)內(nèi)容的學習，學生學會了利用萬有引力定律計算中心天體的質(zhì)量和天體的密度，也使學生認識到科學定律對人類探索未知世界的作用，讓學生理解科學的本質(zhì)，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任。

近些年我國航空航天事業(yè)有了長足的發(fā)展，實現(xiàn)了載人航天、嫦娥奔月、神舟與天宮的成功對接，太空翱翔已不再是夢想。筆者結(jié)合本節(jié)課的教學實際，為學生精心設(shè)計“太空旅程”，通過任務的形式逐步展開教學過程，旨在培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)。設(shè)想現(xiàn)在神舟飛船已矗立在發(fā)射場，教師將帶領(lǐng)全班同學一起搭乘該飛船穿越時空，回到1846年9月23日去發(fā)現(xiàn)一個未知天體(PPT展示海王星圖片，但到第4部分學習時才指出是海王星)。

1 高軌環(huán)繞，定中心天體質(zhì)量

長征運載火箭發(fā)射升空后，飛船經(jīng)過成功變軌，在這個未知天體的高空軌道繞其做勻速圓周運動，給出任務：構(gòu)建物理模型，思考飛船做勻速圓周運動的條件。

圖1

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

從表達式可以看出，等式左右兩邊都含有飛船的質(zhì)量，可約去，因而我們只能計算出中心天體的質(zhì)量。同理，利用行星圍繞太陽轉(zhuǎn)，可以計算出太陽的質(zhì)量；利用衛(wèi)星圍繞地球轉(zhuǎn)，可以計算出地球的質(zhì)量，人們可以利用這一原理，通過觀測人造衛(wèi)星的運動來測量地球質(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

飛船做減速運動，重新穩(wěn)定時，軌道半徑變小，貼近該天體表面飛行。給出任務：僅已知此時飛船的運行周期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，進行出艙考察，能否再探尋出求該天體質(zhì)量的方法?

英國物理學家卡文迪許在實驗室比較準確地測出引力常量G的數(shù)值，是第一個“稱量地球”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恰恰就是他在實驗室通過扭秤裝置測得的。為此,著名文學家馬克·吐溫滿懷激情地說：“科學真是迷人。根據(jù)零星的事實，增添一點猜想，竟能贏得那么多的收獲！”

接著，總結(jié)出解決天體問題的兩條基本思路：一是環(huán)繞類問題，由萬有引力提供向心力；二是在忽略天體自轉(zhuǎn)的影響下，重力近似等于萬有引力。

4 回顧歷史，追溯天體發(fā)現(xiàn)歷程

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

圖2

早在18世紀，太陽系已經(jīng)有7個大行星被發(fā)現(xiàn)，但是1781年被發(fā)現(xiàn)的第七大行星——天王星的運動軌道有些“古怪”，實際觀測的軌道與利用萬有引力定律計算的結(jié)果總是有一些偏差。有人據(jù)此對萬有引力定律提出質(zhì)疑，也有人推測天王星軌道外面還有一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星。

英國劍橋大學的學生亞當斯和法國天文學家勒維耶都相信未知行星的存在。亞當斯首先計算出了這顆未知行星的軌道，并把計算結(jié)果送到了英國格林尼治天文臺，可惜并未引起他人的關(guān)注。而勒維耶就要幸運得多，在亞當斯之后半年得到了與亞當斯相同的結(jié)果，他找到德國天文學家伽勒，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言的位置附近果然發(fā)現(xiàn)了這顆行星，人們稱其為“鉛筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星”。

5 結(jié)語

本節(jié)內(nèi)容的教學通過精心預設(shè)的太空旅程，從環(huán)繞海王星運行到降為低軌道飛行，接著登陸，最后從物理學史的角度回溯海王星的發(fā)現(xiàn)歷程。利用生動的語言使“靜態(tài)”的教學內(nèi)容“動”起來，使抽象、令人感到枯燥乏味的教學內(nèi)容變得富有吸引力，讓學生學到知識的同時也體驗科學發(fā)現(xiàn)之樂。