张国

【摘要】：通过对物理知识的学习，让学生从物理的视角解释自然现象，并能用所学知识并解决生活中的实际问题，是物理学科核心素养的要求。在物理教学中，特别是物理概念教学中要结合学生的智力发展状况，注意概念的延续性和发展性，通过不断的提炼和升华，逐步形成完整的知识体系。本文以“重力加速度”知识的学习经历的4个阶段为例，谈谈物理核心素养的培养。

【关键词】：概念教学 延续性 发展性 科学思维

一、“重力加速度g”第一次在初中教材中是作为一个求重力的常量出现。G=mg，目的是为了辨析重力、质量这两个概念的含义。

初中学生刚接触物理学科，还不能从理论上把握各个物理量的含义。在学习“重力”这个概念以前，已经学习了“质量”，教材对“质量”的定义是：物体所含物质的多少叫做质量，如何来理解这个定义中的“物质”，就是一个难点。学生通常会借助生活经验来体会，日常生活中的“体重”、“重量”的说法，对他学习“重力”，尤其是理解“质量”和“重力”的含义，会形成“负迁移”。此时的“G=mg”中g的学习，是为了让学生通过“质量”和“重力”的量化关系，清楚地知道“质量”和“重力”是两个完全不相同的概念。这个阶段要强调g的数值和单位，使学生理解物理表达式中的“=”，不仅指数值相等，单位也必须相同。物理是对生活实际的反应，而不仅仅是数学运算。对于g的物理意义、方向以及大小随纬度的变化等相关知识，由于超出了学生的理解程度，初中阶段都不需要涉及。

二、通过实验测出自由落体运动的加速度，证明物体下落的快慢与轻重（质量）无关：

高中物理（必修）以运动为主线，在学生已经知道“匀变速直线运动”是“加速度”不变的直线运动，匀变速运动的位移（x）、时间（t）、速度（v）等运动学量之间的关系都清楚之后，“自由落体运动”作为一个简单（特殊）的直线运动来研究。通过实验，可以测得该运动的加速度数值为9.8m/s2。实验是可以在不同地方反复做的，学生动手做过以后，就可以比较轻松接受“地球上不同的地方，g的大小是不同的”这个结论，教材上的列表数据表明地球上不同纬度处的g是不同的。这时思维活跃的学生就可以提出两个问题：为什么g的数值和重力常数的数值是一样的；g的数值会随着纬度的增加而增大。进而引导学生思考“自由落体运动的加速度、物体的重力、地球的自转”一定有关联，这就为后面万有引力的学习埋下了伏笔。

三、利用万有引力定律推导星球表面上g的数值，理解g的数值随纬度的增加而变大的原因

根据牛顿的万有引力定律：放在地球表面上的物体受到地球的引力为F引=GMm/R2 ，物体随地球自转需要的向心力为mω2r。把万有引力分解，一个分力提供物体随地球自转需要的向心力，另一个分力使物体压紧地面，这个分力就是我们所说的“重力”。在地球上不同纬度的地球表面上的物体，随地球自转做圆周运动的角速度是相同的，半径是不同的。随着纬度的增加F向不断减小，重力mg相应增加。这就解释了g的数值随纬度的增加而变大的原因。

取地球赤道上的物体m（如图），有F万=mg+F向，即GMm/R2 =mg+m（2π/T）2R，地球的自转周期为T=24h，地球半径为R=6400km，代入得：（2π/T）2R=3.4×10-3g ，也就是向心力mω2r占万有引力的千分之三多，可以忽略地球的自转效果，有GM/R2=g。即星球表面的g是由星球的质量M和半径R决定的，推广得到：由于不同星球（如月球、火星）的质量M和半径R不同，星球表面的g就不相同。如：月球的质量是7.35×1022kg，半径为1738km，则有g月=GM/R2=1.62m/s2。我们在电视画面上看到，宇航员虽然身穿厚重的宇航服，仍然较为灵活，是因为宇航服在月球上的重力大概是地球上的六分之一。

物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度，由mg= （mV2）/R，得第一宇宙速度V=，因为不同星球的半径和表面的g不同，其第一宇宙速度也不相同。也就是说，在火星表面发射火星卫星就比地球上发射地球卫星容易。经过这样的分析和推理过程，学生对宇宙中星体的运动、黑洞等相关知识就有了较为完整的认识。

四、伽利略对自由落体运动的研究过程，体现了培养学生“科学思维”能力的重要性。

“科学思维”是用物理的视角来认识客观事物的本质属性和内在规律，是学生解决实际问题的关键能力。在“伽利略对自由落体运动的研究”过程中，由于伽利略时代的计时工具还不能测量自由落体运动所用的时间。他采用让铜球沿阻力很小的斜面滚下，铜球沿斜面运动的加速度很小，运动时间较长，这样就解决了时间测量的问题。现在我们用牛顿第二定律分析，物体沿光滑斜面下滑的加速度a=gsinθ，随着θ增大到90°，物体的加速度也逐渐变为a=g。用铜球从不同倾角的斜面上运动的特征来推得自由落体运动的规律，这种以逻辑推理和实验相结合来解决问题的方法，正是物理学科要培养的核心素養。

最新版的《物理课程标准》指出：高中物理是普通高中自然科学领域的一门基础学科，目的是为学生的终身发展奠基，促进人类科学事业的传承和社会的发展。高中学生的生活经验贫乏，物理知识不成体系，逻辑思维能力薄弱，在实际教学过程中，我们要注意从学生的最近发展区入手，结合知识的延续性，关注学生能力的发展性，引领学生深入探究过程，体会科学研究方法、养成科学的思维习惯。

【参考文献】：

【1】《普通高中物理课程标准》（2017年版）：人民教育出版社

【2】2017年版义务教育教科书《物理》八年级下册：江苏凤凰科学技术出版社

【3】普通高中课程标准试验教科书《物理必修2》：人民教育出版社