作者：韩利苹
摘要：本文主要以天体运动为例，通过天体运动模型的构建和应用，培养学生的科学思维，进而落实物理核心素养。
关键字：物理模型 科学思维 天体运动 核心素养
新修订的高中物理课程标准，将物理课程三维目标深化为“物理核心素养”。“物理核心素养”是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质。
物理核心素养包含四大要素，一是物理观念，二是科学思维，三是实验探究，四是科学态度和责任。本文主要从科学思维培养入手，利用物理课程中的理想模型建立与应用，培养学生科学思维，从而提高学生的物理核心素养。
现以天体运动为例，浅谈天体运动模型的构建和应用，培养学生的科学思维。天体运动本身是一种非常复杂的运动，对于一个高中生来讲，要让他们彻底理解，是非常困难的。所以我们要将复杂问题简单化（很多科学家们在研究问题的时候，都会采用这种抓住主要因素，忽略次要因素的方法，让问题变得简单些），做一些理想化处理，把天体看成是一个均匀的球体，天体的距离认为是两球心间的距离，卫星和天体的环绕运动都近似看成是匀速圆周运动，由万有引力提供向心力。有了这些理想化处理，我们的天体运动就可以归纳为以下四个基本的运动模型。
一、跟随模型
1、考虑地球（或某星球）自转影响，地表或地表附近的随地球转的物体所受重力实质是万有引力的一个分力。
由于地球的自转，因而地球表面的物体随地球自转时需要向心力，向心力必来源于地球对物体的万有引力。重力实际上是万有引力的一个分力，由于纬度的变化，物体作圆周运动的向心力也不断变化，因而地球表面的物体重力将随纬度的变化而变化，即重力加速度的值g随纬度变化而变化，从赤道到两极逐渐增大，在赤道上，在两极处
，
。
2、忽略地球（星球）自转影响，则地球（星球）表面上物体所受的重力近似等于地球（星球）对物体的万有引力．
在天体表面，物体所受万有引力近似等于所受重力。设天体质量为M，半径为R，其表面的重力加速度为g，由这一近似关系有：，即
。这一关系式的应用，可实现天体表面重力加速度g与
的相互替代，因此称
为“黄金代换”，也可得天体质量M＝。
二、环绕模型
环绕模型的基本思路是：①把天体、卫星的环绕运动近似看做是匀速圆周运动；②万有引力提供天体、卫星做圆周运动的向心力：G＝m＝mω2r＝m2r＝m(2πf)2r= ma ，其中M指中心天体质量，m指环绕天体质量，r指圆周运动的轨道半径（两天体球心间的距离）；③若环绕天体在中心天体表面附近环绕，则G＝m＝mω2r＝m2r＝m(2πf)2r= mg,其中r可近似为中心天体半径，加速度为重力加速度g，根据这一关系还可以推导出第一宇宙速度的两种表达式。④得出“一大三小”结论即随轨道半径r的增大，周期T增大，线速度v、角速度ω、加速度a减小；r不变，则四个量都不变。⑤对比赤道上跟随地球运动的物体和同步卫星的运动，加深跟随模型和环绕模型的理解。
三、变轨模型
若卫星所受万有引力等于做匀速圆周运动的向心力，将保持匀速圆周运动；当卫星由于某种原因速度突然改变时(开启或关闭发动机或空气阻力作用)，万有引力就不再等于向心力，卫星将做变轨运行。①当v增大时，所需向心力增大，即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大，但卫星一旦进入新的轨道运行，由v =知其运行速度要减小，但重力势能、机械能均增加。②当卫星的速度突然减小时，所需向心力减小，即万有引力大于卫星所需的向心力，因此卫星将做向心运动，同样会脱离原来的圆轨道，轨道半径变小，进入新轨道运行时由v =
知运行速度将增大，但重力势能、机械能均减少。
四、双星模型
宇宙中往往会有相距较近，质量可以相比的两颗星球，它们离其它星球都较远，因此其它星球对它们的万有引力可以忽略不计。在这种情况下，它们将各自围绕它们连线上的某一固定点O做同周期的匀速圆周运动。如图所示，这种结构叫做双星．双星问题具有以下两个特点：
⑴由于双星和该固定点O总保持三点共线，所以在相同时间内转过的角度必相等，即双星做匀速圆周运动的角速度必相等，因此周期也必然相同。
⑵由于每颗星的向心力都是由双星间相互作用的万有引力提供的，因此大小必然相等，由可得
，可得
，
，（这里的L是指双星之间的距离，而r1、r2表示它们各自做圆周运动的半径）即固定点O离质量大的星较近。
学生掌握了这四个基本运动模型建立过程和条件以后，引导学生根据物理问题，通过分析、综合、对比，使问题从繁杂中抽象为熟悉的物理物理模型，然后利用这种模型特点去解决问题就更为有效。例如：2017年高考全国卷Ⅲ中有这样一道题：
2017年4月，我国成功发射的天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室完成了首次交会对接，对接形成的组合体仍沿天宫二号原来的轨道（可视为圆轨道）运行。与天宫二号单独运行时相比，组合体运行的：
A、周期变大 B、速率变大 C、动能变大 D、向心加速度变大
这道题，只要抓住题干中仍沿原来的轨道运行，马上联系到环绕模型中“一大三小”的结论，r没变，周期、线速度、角速度、加速度都不变，就可以马上得出答案选C。
总之，纵观物理物理学发展历程不难发现，很多重大的物理发现都源于科学家们大胆的猜想，构建出理想化的物理模型，比如伽利略的理想斜面构建，得出了运动不需要力来维持的结论。在高中教材中，有很多我们熟知的理想化模型，如质点、单摆、点电荷等等，正是由于这些理想化模型的引入，让我们在遇到复杂问题的时候，使问题得到简化，从而得到很好的解决。所以构建物理模型，是学习物理的有效方法。通过构建物理模型，学生可以体会科学家研究问题的方法和过程，在应用物理模型解决问题的时候，更能提高学生解决问题的能力，学生的科学素养自然会得到很好的培养，进而落实了物理课程中的核心素养。
