高中物理“万有引力”教学中科学思维素养的培养
湖北省荆州市荆州中学 刘秋灵 邮编：434020
摘要：《普通高中物理课程标准》（2017版）指出，物理学科作为自然科学领域的一门基础课程，要进一步提升学生的物理学科核心素养，核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”，其中，科学思维是指从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式。本文就高三一轮复习中，《万有引力与航天》一章的复习教学设计，如何运用“三个力两两相等”解决匀速圆周运动类天体问题，和“向心力供需是否平衡”解决卫星变轨类难题，阐明复习教学中如何体现“科学思维”中“总结归纳”能力的培养。
关键词：核心素养；科学思维；总结归纳；万有引力
引言：通常物理学科现象繁多，物理事实零散，物理过程复杂，学习者需要在大脑中形成清晰的图景，从诸多的现象和事实中寻找规律和线索，总结归纳，再反复加工，合理改造，去粗存精，才能把感性认识上升为理性认识，形成科学的物理思维。
本章基础部分包含开普勒三定律、万有引力定律知识点，和椭圆轨道近似处理成圆周轨道的理想化模型思维，这里不再赘述，本文就“三个力两两相等”和“向心力供需是否平衡”两种归纳性解题思维，辅以少量典型例题进行阐述，以期能让学生找到贯穿整章的规律和线索，养成良好的物理学科学习习惯，提升理科学习思维能力，达到事半功倍的效果。
一、“三个力两两相等”思路
对题目模型进行分析，若是匀速圆周运动，则在重力、万有引力、向心力三个力中，根据题目情景，选择其中两个力相等建立方程求解。
类例一：已知地表或某星球表面重力加速度和该星球的半径，在忽略自转的情况下，选择“重力等于万有引力”，比如求中心天体质量和密度，以及黄金代换式的推导，都是这类思维模型。 求得，，当时，。
黄金代换式：
类例二：已知圆周运动相关运动学参量，且满足只受万有引力且恰好提供向心力则有“万有引力等于向心力”即，再根据题目已知条件和所求问题选择上式中合适的向心力表达形式进行求解，运动学参量的求解得到下列一般结论：， ，，；从以上表达式可以看出，半径越大，线速度越小，角速度越小，周期越大，因此可以得出更一般的结论：绕同一中心天体运动的行星或卫星“越远越慢”，“远”指的是离中心天体的距离，线速度和角速度小可以理解为“慢”，周期大即运动一周需要的时间长，也可以理解为“慢”。下面例题用此法求解更能省时省力。
题目：关于太阳系八大行星的运动,以下说法正确的是
A．行星轨道的半长轴越长,自转周期就越大
B．行星轨道的半长轴越长,公转周期就越大
C．水星的半长轴最短,公转周期最大
D．海王星离太阳“最远”,绕太阳运动的公转周期最大
分析：在一套试卷中，这道题属于偏简单题，但综合性强，高中阶段近似把行星椭圆轨道处理为匀速圆周运动，考察知识点即为万有引力和向心力相等得到的一系列结论，要又快又好的解答，从而为解其他题节约出时间，需要掌握并熟练应用“越远越慢”的结论，和八大行星由近及远的分布常识（水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星），很快能选出BD选项即为正确答案。
类例三：（重力恰好提供向心力），解得竖直面内无支撑圆周运动最高点临界速度，在上一章《圆周运动》中，此类临界问题属于难点，这里也一并归纳其中，选择三力中的“重力等于向心力”，就能帮助学生更好理解“无支撑”模型在最高点的速度条件。
从以上分析我们发现，本章的结论很多，题目所求问题也是多样化，但大都逃不过“三个力两两相等”的思路，类例一、二、三中所有结论，均是这个思路列方程求出的结果。
二、向心力“供需”是否平衡思路
跟圆周运动有关的模型中，向心力是由具体模型的具体物体施加的力在半径方向的合力，此为“供”，这部分需要对具体模型进行受力分析，画出运动草图和力的示意图；“需”则是由运动学参量（等）决定的，根据进行讨论，比如，半径一定的情况下，线速度或者角速度越大，则说明该运动需要的向心力就越大。“供需问题”分三类：“供需平衡”，做匀速圆周运动；“供不应求”，做离心运动；“供过于求”，做近心运动。卫星轨道变化问题，对学生来说是个难点，从这个思路解决轨道变化问题，会让学生更加轻松，也更系统地掌握这类问题。
题目：变轨如图3所示为卫星发射过程的示意图，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再一次点火，将卫星送入同步圆轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是
A.卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
B.卫星在轨道3上的周期大于在轨道2上的周期
C.卫星在轨道1上经过Q点时的速率大于它在轨道2上经过Q点时的速率
D.卫星在轨道2上经过P点时的加速度小于它在轨道3上经过P点时的加速度
分析：这是一道非常经典的轨道变化问题，考察的知识点就是圆周运动、离心运动和近心运动的条件。卫星在圆轨道1上万有引力恰好提供向心力，做匀速圆周运；若要离开1轨道远离圆心做离心运动，就要增大“需求”，使得“供过于求”，即在Q点点火增大线速度；火箭沿椭圆轨道2到了P点，因万有引力大于所需向心力，会做近心运动，若要让其不做近心运动，而是沿着圆周轨道3做匀速圆周运动，也要加速从而增大所需向心力，使得“供需平衡”。D选项，用牛顿第二定律比较加速度，无论在哪一轨道，只要在同一点，合力即万有引力，加速度相同。从本题看出，采用“供需平衡思想”解题，思路清晰，便于理解，效率较高。
结语：高三的物理课是在高一高二的基础上，对基础物理知识点和规律进行总结归纳，融汇贯通，并能熟练应用。考试题目旨在考查应用，在复习备考中，交给学生好的归纳方法和思路，有利于学生物理学科思维的形成，切实贯彻教育部新课程标准和方案，培养高素质的具有独特物理学科思维学生。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社2017:4—6.
[2]王朝银、常元福、房金萍，等.步步高大一轮复习讲义[M].哈尔滨：黑龙江教育出版社,2020,(3):134.
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