周洪池

(江蘇省建湖高級中學,江蘇 鹽城 224700)

物理學科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面．物理復(fù)習課是在新授課的基礎(chǔ)上的升華,旨在拓寬學生的視野,發(fā)展學生的能力,對提升學生的物理核心素養(yǎng)具有重大的意義．物理復(fù)習課以物理觀念為背景,以科學思維為方法,以科學探究為過程,能更好地落實科學態(tài)度與責任．

1 以物理學史引入,凸現(xiàn)科學探究

案例1.圖1所示思維導(dǎo)圖堪稱人類歷史上的偉大的探究活動．

圖1

問題:在力學中,有些問題是根據(jù)物體的運動探究它的受力,另一些問題則是根據(jù)物體所受的力推測它的運動．從圖中談?wù)劙l(fā)現(xiàn)萬有引力定律的歷程．

考核目標：考查物理核心素養(yǎng)“科學探究”中證據(jù)、解釋的要素,考查“科學思維”中的科學推理與科學論證等要素．

任務(wù)描述：托勒密提出地球是宇宙的中心,哥白尼提出日心說,杰出的觀測家第谷觀測行星運動的海量數(shù)據(jù)和星象圖,開普勒根據(jù)第谷的數(shù)據(jù)運用超凡的想像力總結(jié)出行星的運動規(guī)律并成功地解決了前人的問題．牛頓在開普勒行星運動規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,并通過月地檢驗進行驗證．100年后卡文迪許測量了引力常量,進一步證實了萬有引力定律．從第谷到卡文迪許近300多年的時間內(nèi),幾代人的共同努力產(chǎn)生了偉大的成就．托勒密的觀點,哥白尼的猜想,第谷的證據(jù),開普勒的想像,牛頓的發(fā)現(xiàn),卡文迪許的驗證等完成了人類歷史上一次偉大的探究活動．

科學探究是基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想假設(shè)、設(shè)計與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對科學探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的活動．提煉萬有引力定律發(fā)現(xiàn)的歷程,使學生們對科學探究有更深刻的理解．

2 以圓軌道衛(wèi)星比較,強化物理觀念

圖2

案例2.如圖2所示,已知地球質(zhì)量為M,質(zhì)量均為m的人造地球衛(wèi)星Ⅰ和Ⅱ在半徑為r1、r2的軌道上做勻速圓周運動．

問題1:衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的向心力由誰提供?

考核目標：考查物理核心素養(yǎng)“科學思維”中的模型建構(gòu)的要素．

任務(wù)描述：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的向心力由地球?qū)λ娜f有引力提供,在教學過程中,學生提出了兩顆人造衛(wèi)星之間也存在萬有引力,這個萬有引力比地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力要小得多,可以忽略不計．物理學中抓住主要因素忽略次要因素,體現(xiàn)了建構(gòu)物理模型時抓住主要因素忽略次要因素的科學思維．

問題2:求人造衛(wèi)星Ⅰ的線速度、角速度和周期．

考核目標:考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中運動與相互作用觀念．

任務(wù)描述:解決這個問題時根據(jù)是牛頓第二定律和萬有引力定律列出了一串公式

從表達式中可以求出要求解的物理量．

問題3:兩顆人造地球衛(wèi)星的線速度、角速度、周期、動能、勢能、機械能哪個大?

考核目標:考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中運動與相互作用觀念和能量觀念,考查“科學思維”中的科學推理等要素．

任務(wù)描述:由探究2中的表達式得

從表達式中可以比較兩顆人造地球衛(wèi)星的線速度、角速度、周期的大小關(guān)系,通過速度大小變化可以比較兩顆衛(wèi)星的動能關(guān)系,通過軌道半徑可以比較兩顆衛(wèi)星在地球作用下引力勢能的關(guān)系．體現(xiàn)了了科學探究中的證據(jù)意識,對結(jié)論作出解釋的能力．

兩顆衛(wèi)星的機械能的比較有兩種途徑,一條途徑是列出衛(wèi)星機械能的表達式,根據(jù)表達式與軌道半徑的關(guān)系直接比較;另一條途徑是根據(jù)發(fā)射衛(wèi)星的難易程度定性地比較,發(fā)射軌道半徑大的人造衛(wèi)星,需要提供能量越多,體現(xiàn)能量觀念．

問題4:若Ⅰ和Ⅱ是繞某恒星做勻速圓周運動的行星,它們的線速度、角速度、周期、動能、行星與恒星間的引力勢能哪個大?

考核目標：考查物理核心素養(yǎng)“科學思維”中的科學推理與質(zhì)疑創(chuàng)新,“物理觀念”中能量觀念及“科學態(tài)度與責任”中的科學本質(zhì)等要素．

任務(wù)描述：本問題在上一問題的基礎(chǔ)上進行了拓展,將人造地球衛(wèi)星換成繞某恒星做勻速圓周運動的行星,問題的本質(zhì)沒有改變,體現(xiàn)物理規(guī)律的應(yīng)用并不孤立,由于不清楚兩行星的質(zhì)量關(guān)系,所以不能確定動能的大小,也不能確定行星與恒星間的引力勢能哪個大．

3 以變軌過程分析,提升科學思維

圖3

案例3.如圖3所示,人造衛(wèi)星在圓軌道Ⅰ上P點點火加速進入橢圓軌道Ⅱ,在橢圓軌道Ⅱ上遠地點Q點火加速進入圓軌道Ⅲ．不考慮點火時衛(wèi)星質(zhì)量變化．

問題1:人造衛(wèi)星在哪個階段做離心運動?為何做離心運動?

考核目標: 考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中運動與相互作用觀念,考查“科學思維”中的模型建構(gòu)等要素．

任務(wù)描述:萬有引力大于衛(wèi)星做圓周運動所需要的向心力時,衛(wèi)星做向心運動,衛(wèi)星要靠近地球,由于地球引力做正功,衛(wèi)星的速度逐漸增大,經(jīng)過近地點后,衛(wèi)星受到的萬有引力小于衛(wèi)星做圓周運動的向心力,衛(wèi)星做離心運動,離心運動過程中速度逐漸減?。孕l(wèi)星從P到Q的過程中,衛(wèi)星做離心運動．

問題2:衛(wèi)星在小圓軌道Ⅰ上經(jīng)過P速度vPⅠ,在橢圓軌道Ⅱ上經(jīng)過P速度vPⅡ,在橢圓軌道Ⅱ上經(jīng)過Q速度vQⅡ,在大圓軌道Ⅲ上經(jīng)過Q速度vQⅢ,以上4個速度的大小排序情況;

考核目標:考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中運動與相互作用觀念、能量觀念,考查“科學思維”中的科學推理等要素．

問題3:衛(wèi)星在小圓軌道Ⅰ上經(jīng)過P加速度aPⅠ,在橢圓軌道Ⅱ上經(jīng)過P加速度aPⅡ,在橢圓軌道Ⅱ上經(jīng)過Q加速度aQⅡ,在大圓軌道Ⅲ上經(jīng)過Q加速度aQⅢ,以上4個加速度的大小排序情況;

考核目標:考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中運動與相互作用觀念,考查“科學思維”中的科學推理等要素．

任務(wù)描述:由萬有引力定律可確定衛(wèi)星的受力情況,由牛頓第二定律確定衛(wèi)星的加速度．離地球越遠,衛(wèi)星受到的萬有引力越小,加速度也越?。?個加速度的排序情況是aPⅠ=aPⅡ>aQⅡ=aQⅢ．衛(wèi)星在圓軌道上受到的萬有引力提供它做圓周運動的向心力,而在橢圓軌道上的近地點與遠地點受到的萬有引力與衛(wèi)星需要的向心力不相等,導(dǎo)致衛(wèi)星做離心運動或向心運動．

問題4:衛(wèi)星在3個軌道上運行時機械能的排序;

考核目標:問題考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中的能量觀念．

任務(wù)描述:衛(wèi)星從軌道Ⅰ到Ⅱ,從軌道Ⅱ到Ⅲ的過程都要經(jīng)過點火加速,都要消耗其他能量以轉(zhuǎn)化為機械能,所以在軌道Ⅲ上的機械能最大,在軌道Ⅰ上機械能最小．

問題5:衛(wèi)星的瞬時速度有沒有可能大于7.9 km/s?

考核目標:考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中運動與相互作用觀念,考查“科學思維”中的質(zhì)疑創(chuàng)新,考查“科學態(tài)度與責任”中的科學本質(zhì)等要素．

任務(wù)描述：人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最大速度是7.9 km/s,學生們將此作為結(jié)論記住是沒有問題的,不加分析死記硬背是不符合科學本質(zhì)的．衛(wèi)星在軌道Ⅰ上經(jīng)過P點時的速度比7.9 km/s小,但在軌道Ⅱ上經(jīng)過P時的速度要大于在軌道Ⅰ上經(jīng)過P點時的速度,此速度可以大于7.9 km/s．

4 以不同軌道衛(wèi)星比較,落實科學態(tài)度與責任

圖4

案例4.如圖4所示,A、B是地球赤道上方的兩顆圓軌道人造衛(wèi)星,C是傾斜軌道上的橢圓軌道人造衛(wèi)星．

問題1:A、B的圓心與C的焦點位置有什么關(guān)系?

考核目標：考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中運動與相互作用觀念,“科學思維”中的模型建構(gòu),“科學態(tài)度與責任”中科學本質(zhì)等要素．

任務(wù)描述：A、B衛(wèi)星做圓周運動,地球?qū)λ鼈兊娜f有引力提供它們做圓周運動的向心力,所以A、B的圓心在地球的球心．C是傾斜軌道上的橢圓軌道衛(wèi)星,由開普勒第一定律可確定C的一個焦點在地球的球心．

問題2:如何比較A、B、C3顆衛(wèi)星的周期?

考核目標：考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中運動與相互作用觀念,“科學態(tài)度與責任”中科學本質(zhì)．

任務(wù)描述：由開普勒第三定律可知,可以通過C的橢圓半長軸與A、B半徑比較衛(wèi)星的周期．周期的二次方與半徑(半長軸)的三次方成正比.

問題3:C每隔一段時間到達某城市上空,時間間隔有無規(guī)律?高度有沒有變化?

考核目標：考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中運動與相互作用觀念,考查“科學思維”中的科學推理等要素,“科學態(tài)度與責任”中科學本質(zhì),社會責任等要素．

任務(wù)描述：地球自轉(zhuǎn)是有規(guī)律的,C繞地球做橢圓運動也是周期性的,所以C每隔一段時間到達某城市上空,時間間隔是有規(guī)律的,C衛(wèi)星離地心的距離做周期性變化,通過地球同一經(jīng)度時,C離地心的距離是一定的,所以C每到達某城市上空時高度是一定的．

問題4: 若B是地球同步衛(wèi)星,A的向心加速度與赤道上物體向心加速度大小關(guān)系如何?

考核目標：考查物理核心素養(yǎng)“物理觀念”中的運動與相互作用觀念,考查“科學探究”中的科學推理等要素．

任務(wù)描述：衛(wèi)星A與赤道上物體向心加速度大小無法直接進行比較,但可以比較衛(wèi)星A與B的向心加速度,它們都是由萬有引力提供向心力,A的向心加速度大于B的向心加速度;赤道上的物體與衛(wèi)星B的角速度相等,所以赤道上物體的向心加速度小于衛(wèi)星B的向心加速度．綜合可得到A向心加速度大于赤道上物體的向心加速度．本問題通過選取中間媒介的方法比較兩個沒有直接聯(lián)系的物理量．

問題5:若B是地球同步衛(wèi)星,A每天運動到某城市正上方的次數(shù)最多是多少?

考核目標：考查物理核心素養(yǎng)“物理思維”中的科學推理,考查“科學探究”中的問題、交流,“科學態(tài)度與責任”中科學本質(zhì)等要素．

任務(wù)描述：B與地球自轉(zhuǎn)同步,周期是24 h,A的軌道半徑比B小,所以A繞地球做圓周運動的周期介于近地衛(wèi)星與同步衛(wèi)星之間．顯然,A的軌道半徑越小周期越小,每天運動到某城市正上方的次數(shù)越多．取近地衛(wèi)星的周期為1.5 h,則A每天運動到某城市正上方的次數(shù)有兩種情況,與地球自轉(zhuǎn)同向最多是15次,與地球自轉(zhuǎn)反向最多是17次．

問題6:若A是地球同步衛(wèi)星,B每天運動到某城市正上方的次數(shù)最多是多少?

考核目標：考查物理核心素養(yǎng)“物理思維”中的科學推理,考查“科學探究”中的問題、交流,“科學態(tài)度與責任”中科學本質(zhì)等要素．

任務(wù)描述：A與地球自轉(zhuǎn)同步,周期是24 h,B的軌道半徑比A大,所以B繞地球做圓周運動的周期大于24 h．如與地球自轉(zhuǎn)同向,B每天運動到某城市正上方的次數(shù)不足一次,要經(jīng)過一天以上的時間才能運動到某城市正上方一次;如與地球自轉(zhuǎn)反向,B每天運動到某城市正上方的次數(shù)不足兩次．

本節(jié)課以4個背景為案例,設(shè)計16個問題實施萬有引力定律及其應(yīng)用的復(fù)習教學．主要通過萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)歷史,體會科學探究的歷程;通過不同圓軌道上衛(wèi)星各個物理量大小的比較,復(fù)習萬有引力定律;通過變軌問題中速度、加速度及其它物理量大小的比較,復(fù)習衛(wèi)星在圓軌道與橢圓上運行時的特點;通過不同衛(wèi)星軌道分析,復(fù)習開普勒定律和人造衛(wèi)星軌道問題．4個案例在體現(xiàn)物理學科核心素養(yǎng)時各有側(cè)重,每個案例中對物理學科核心素養(yǎng)也都有體現(xiàn),相互交融．