基于物理学科核心素养的问题导向式教学课例

廖佛彬

【摘要】培养科学思维是物理学科核心素养的关键因素之一。问题能够启发思维，培养物理学科核心素养。作为高中物理教师要精心设计好问题，通过问答式教学，逐步引导学生层层深入思考，训练学生的逻辑推理能力，培养科学严谨的思维能力。

【关键词】高中物理;问题导向;科学思维;核心素养

在高中物理课堂中运用问题导向式教学对打开高中生的物理科学思维极有裨益。所谓问题导向式教学，即在教学过程中设计一些启示学生思考的问题，调整好问题的先后及逻辑关系，并逐步引导学生对物理现象进行深入分析，进行互动交流致力于解决问题，培养学生的物理学科核心素养。

本文以《万引力定律的应用》为例谈谈问题导向式教学过程，通过设计一系列的问题引导学生思考，层层剖析，得出论断，培养学生的科学思维能力。

一、万有引力与重力的关系

回顾万有引力定律的内容以及重力的知识。

研讨问题：重力是不是万有引力？重力与万有引力有什么关系？

提出问题①：地球表面的物体随地球转动而做匀速圆周运动，圆心是不是地心？半径是不是地球半径R？

圆心在垂直于地轴的位置，而不是地心，半径r=Rcosθ（θ表示物体所在纬度）。

提出问题②：物体做匀速圆周运动由什么力充当向心力？

受力分析寻找向心力的来源，物体受地球的万有引力和支持力作用，万有引力的一个分力提供向心力，另一个分力与支持力平衡，表现为重力。

提出问题③：物体做圆周运动所需向心力相对于其所受万有引力大小如何？

试算1千克的物体在赤道处所受的万有引力大小，代入数值得，而物体所需向心力大小，算得向心力，即所需向心力远小于万有引力的大小。

结论：地球表面上的物体所受重力近似等于所受的万有引力，即。

二、计算天体的质量

提出问题①：地球质量无法用天平称量，怎么样称量地球的质量呢？

依据，可推出。地球半径R和重力加速度g早已被测量出来，当卡文迪许把万有引力常量G测出来后就意味着可以测出地球质量了。卡文迪许因此而被誉为“称出地球质量的第一人”。

提出问题②：能不能用这个方法求出太阳质量呢？

因为太阳表面加速度和太阳半径不知道，所以无法用这种方法求出太阳质量。

提出问题③：能不能用行星绕太阳运动去计算呢？地球绕太阳是怎么运动的？

开普勒定律告诉我们，地球绕太阳做椭圆运动，可以近似看成做匀速圆周运动。

提出问题④：地球绕太阳做匀速圆周运动，由什么力提供向心力？

由太阳对地球的万有引力提供向心力，，得，即知道地球公转周期和半径，就可求出太阳质量。

提出问题⑤：能不能用万有引力提供向心力的方法求地球质量呢？要已知什么物理量？

已知环绕地球做匀速圆周运动的卫星运行情况，如轨道半径和线速度、轨道半径和角速度、轨道半径和周期，运用

万有引力提供向心力列方程，，可得、、。

结论：求天体质量的两种思路：一是万有引力近似等于重力的方法（简称表面法），二是由万有引力提供向心力的方法（简称绕行法）。

三、人造卫星宇宙速度

提出问题①：地球的人造卫星是怎么样发射上去的呢？

牛顿在300多年前就提出设想，如果在一座高山上水平发射炮弹，物体将会掉回地面，如果发射速度增大，炮弹落点离发射点更远，类似于平抛，如果速度达到一定程度可以打到地球另一侧，如洲际导弹。速度越大，打得越远，但还是掉回了地面，没有成为人造地球卫星。

提出问题②：掉回地面的原因是什么？物体做得是什么运动？

由于物体受到的万有引力大于需要的向心力大小，物体做靠近圆心的运动。

提出问题③：怎样才能使物体绕地球做匀速圆周运动而不掉回地面呢？

增大发射速度，物体所需的向心力变大，使得刚好等于提供的万有引力。

提出问题④：需要多大的发射速度才能使物体绕地球做匀速圆周运动呢？

根据，得出，因山峰高度远小于地球半径，物体离球心的半径r近似等于地球半径R，代入数值求得v=7.9km/s，称为地球的第一宇宙速度，也叫环绕速度，它是在地球上发射人造地球卫星所需要的最小发射速度。

提出问题⑤：有没有其他方法可以推算地球的第一宇宙速度？

地球表面物体所受的重力大小近似等于万有引力大小，相当于重力提供向心力，即，得出v==7.9km/s。

提出问题⑥：假如物体的发射速度持续增大，物体将会做什么运动？

物体所受万有引力小于需要的向心力，物体将做远离圆心的运动。

提出问题⑦：在远离圆心的过程中，速度大小怎么变？

万有引力F与速度v两者方向的夹角是钝角，速度会减小。

提出问题⑧：最终物体会做什么运动？

当速度小到一定程度，物体所需的向心力小于提供的万有引力时，物体又会做靠近圆心的运动，最终形成椭圆运动。发射的速度越大，椭圆的远地点越远。当速度大到一定程度，太阳对物体的吸引力大于地球的引力，物体将会脱离地球的束缚，不在绕地球运行而成为太阳的一颗小行星，所需要的最小发射速度是11.2km/s，称为第二宇宙速度，也叫脱离速度。

提出问题⑨：如果发射的速度继续增大，物体有可能会怎么样？

当发射速度达到16.7km/s時，物体将会脱离大阳的吸引，飞出太阳系。这一发射速度称为第三宇宙速度，也称逃逸速度。

参考文献：

[1]杨靖华.物理学科教学中的核心素养培养[J].教育·校长参考， 2020.

[2]华小建.问题导向式教学，推开物理思维之门[J].数据化解题研究，2019.

[3]李国华.再谈重力与万有 引力的关系及中学阶段的教学处理方法[J].教学实践，2017.