王茹荣

(甘肃省镇原县平泉中学,甘肃　庆阳　744517)



牛顿“月地检验”的教育价值及教学建议

王茹荣

(甘肃省镇原县平泉中学,甘肃庆阳744517)

2010年人教版高中物理教材重新做了修订，在必修2“万有引力定律”前一节的“问题与练习”栏目增加了新的题目,该题目要求学生通过查阅资料，计算月球公转的向心加速度,比较这一数值与自由落体加速度的关系.笔者在阐述“月地检验”的教育价值后,分析教材这一设计的意图,尝试提出教学建议.

月地检验;万有引力;教学建议

1　“月地检验”的教育价值

1.1万有引力定律的基础

开普勒发现行星运动定律之后,科学家开始思考行星绕太阳运动背后的原因，牛顿在建立清晰的速度和力的概念后,从开普勒第三定律推导出了使行星保持在它们运动轨道上的力必定要和行星与太阳之间距离的平方成反比.此后,牛顿假设使月球转动的力与地球吸引苹果下落的力为同一性质的力,遵循相同的规律.通过著名的“月地检验”证实了这一假设的正确性,认识到“天上的力”和“地上的力”都是引力作用,遵从“平方反比”规律.将这一规律合理外推后,发现了决定天体运动的万有引力定律.因此,“月地检验”是连接太阳和行星间的引力与万有引力定律的纽带,是发现万有引力定律的基础.

1.2“月地检验”的科学方法

“月地检验”过程蕴含着丰富的科学方法，根据苹果下落到地面而没有飞向天空的事实,猜想地球吸引苹果的力、月球受地球的力、太阳与地球之间的引力是同一种力;基于太阳与地球之间引力的规律,通过类比推理，假设这三个力都遵从“平方反比”规律;根据月球椭圆轨道的长轴与短轴接近,利用理想化方法,月球绕地球的运动按匀速圆周运动处理;直接验证猜想存在困难,因而运用演绎推理方法,将两个力之间的关系问题转化为比较力所产生的加速度;在计算月球的向心加速度时,将不易测量的线速度转化为易测量的周期与半径;最后通过苹果与月球加速度的比较,假设所得结果与观测的结果进行比较,判断假设是否正确,应用了比较方法.

1.3“月地检验”的教育价值

牛顿敏锐地察觉到常人对苹果落地没有产生过疑惑,大胆提出自己的假设.通过这些物理学史资料可以培养学生注重观察、勇于猜想的科学价值观和科学态度.通过判断假设所得的推论与实际观测结果是否一致,证明了假设的正确性,体现了“实践是检验真理的唯一标准”的科学观.普遍的落体现象与星体运行受同一规律的支配,反映出世界的普遍联系,有助于培养学生探寻物理现象背后普遍规律的意识.

2　教学建议

教材简单地介绍了“月地检验”,设计思路是将地面上的物体放到月球轨道上,在明确该物体在月球轨道和地球附近受到的引力关系后,得出加速度的关系，但并没有对该思想实验进行推导.

教学中，学生对地面的物体能否在月球轨道上运行,以及为什么物体在月球轨道上的加速度与月球公转的向心加速度相等的问题都存在思维障碍,不利于学生自主探究.因此,建议利用新编教材中增添的“问题与练习”题目3,分别以地面附近的苹果和月球为研究对象,按照探究式学习的思路重新设计教学过程.使学生经历科学家发现问题、分析问题、解决问题的过程.在此过程中,使学生掌握科学方法，提升探究技能,升华科学价值观.

2.1问题的提出

牛顿说:“如果我看的更远的话,那是因为我站在巨人的肩膀上的缘故.”根据史料记载,早在1666年牛顿看到苹果落下，就开始思考苹果为什么没有飞向太空,想到重力是伸向月球轨道的,这可使学生领悟伟人的独到眼光.让学生考虑重力和行星所受太阳的引力是不是同一性质的力?如果是，又遵循怎样的规律?在地球表面的重力能否延伸到月球的表面?

2.2猜想与假设

结合在高山上抛出的苹果也能落下的经验,表明在高山上也能感受到重力,进而猜想重力也能延伸到更远的月球轨道.根据月球和地球表面物体绕地心、地球绕太阳都近似做匀速圆周运动的事实,采用类比的方法,假设地球吸引苹果的力与月球受地球的力都是引力,并遵循“平方反比”规律.

2.3收集资料,实施探究

设苹果质量为m1,月球质量为m2,地球质量为M.地球半径为R,地心到月球的距离为r(r与R之间的数量关系是学生通过上节课的“问题与练习”题3计算出来,即r=60R),将问题转化为比较苹果和月球的加速度.

(1) 理论探究

教师在明确各物理量符号后,引导学生利用太阳与行星间的引力公式与牛顿第二定律,探究苹果与月球加速度之间的数量关系.

(2) 根据观测数据计算结果

2.4分析与论证

比较假设推导出的结论与实际观测计算结果,发现在误差(相对误差<5%)允许的范围内,这两种方法求得的向心加速度比值相等,牛顿的猜想得到了检验.于是得出结论:地球吸引地面附近物体的力与天体间的相互作用力是同一种力,本质上都是四种基本相互作用中的万有引力,遵循“平方反比”规律.

3　结束语

针对牛顿的“月地检验”过程,从大胆猜想和假设到严格求证,最后证明了“天上的力”与“地上的力”是同一性质的力,蕴含着许多科学方法和科学思想.分析该部分教学内容可以得到启示：教学中应重视教材一些栏目中隐含素材的挖掘,适时采用探究、自主学习等方式,可使学生主动地获取物理知识和发展能力,体验到科学思想和方法的魅力,促进科学世界观的形成.

[1] 郭奕玲,沈慧君.物理学史[M].北京:清华大学出版社,1993：20-23.

[2] 李春来.对“月地检验”课堂导思过程的设计[J].物理教学探讨,2014,32(6):74-75.

[3] 司德平.历史上牛顿“月地检验”的推导[J].中学物理教学参考,2009,38(8):48.