李鴻彬

(南京外國語學(xué)校，江蘇 南京 210008)

能量守恒觀念形成的教學(xué)探尋

李鴻彬

(南京外國語學(xué)校，江蘇 南京 210008)

物理觀念是高中物理核心素養(yǎng)的重要方面,通過教學(xué)幫助學(xué)生形成正確的物理觀念是物理教學(xué)超越于知識、方法目標(biāo)的更為重要的教學(xué)目標(biāo)．本文以“追尋守恒量—能量”一節(jié)為例,設(shè)計了守恒觀念教學(xué)的各個環(huán)節(jié),研究了形成物理觀念的教學(xué)規(guī)律性,即“鋪墊—建立—鞏固—發(fā)展—強(qiáng)化—反思”．

觀念形成;教學(xué)規(guī)律;研究

1 教學(xué)目標(biāo)分析

“觀念”是人們對事情的主觀與客觀認(rèn)識的系統(tǒng)化之集合體,人們會根據(jù)自身形成的觀念進(jìn)行各種活動．“物理觀念”是高中物理核心素養(yǎng)的重要方面,新課程標(biāo)準(zhǔn)提出:“物理觀念”主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素．”其實(shí),物理觀念還有超越這幾方面的內(nèi)容,它們是在這些內(nèi)容之上的進(jìn)一步提煉與升華,像守恒觀念、對稱觀念等．

“追尋守恒量”是人教版高中物理課本必修2第7章“機(jī)械能守恒定律”的開篇內(nèi)容,章眉處給了德國物理學(xué)家勞厄的一段話:“物理學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律．因為這樣的規(guī)律的最簡單的形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性,所以對于守恒量的尋求不僅是合理的,而且也是極為重要的研究方向”．

本節(jié)內(nèi)容不多,主要是圍繞追尋“什么東西守恒”而形成了“能量”概念.它不僅有清晰的知識目標(biāo)、方法目標(biāo),還有重要的觀念養(yǎng)成目標(biāo)．守恒關(guān)系應(yīng)是自然界客觀存在的一種重要關(guān)系.通過本節(jié)教學(xué),旨在培養(yǎng)學(xué)生守恒觀念,并要求學(xué)生能用它去解決實(shí)際問題,甚至描述自然界的圖景和人類社會的圖景．應(yīng)該說,這一目標(biāo)比知識、方法目標(biāo)更為重要．鑒于觀念具有的主觀性、實(shí)踐性、歷史性、發(fā)展性等特點(diǎn),形成物理觀念的教學(xué)也應(yīng)有其相應(yīng)規(guī)律．

2 教學(xué)流程設(shè)計

首先用視頻導(dǎo)入新課;接著分析水流問題,對理解守恒觀念進(jìn)行鋪墊;再依次對伽利略理想斜面實(shí)驗、單擺實(shí)驗、彈簧振子實(shí)驗進(jìn)行觀察與分析,讓學(xué)生建立和鞏固動能與重力勢能、彈性勢能之間轉(zhuǎn)化時總量守恒的觀念;再分析焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗,體現(xiàn)出電能與內(nèi)能間轉(zhuǎn)化時總量也守恒,發(fā)展學(xué)生的守恒觀念;再分析中微子發(fā)現(xiàn)事例,強(qiáng)化學(xué)生的守恒觀念并說明守恒觀念是物理研究的思想方法;最后再分析對接斜面實(shí)驗,對建立的守恒觀念進(jìn)行反思．基于觀念的諸多特點(diǎn),通過問題導(dǎo)引,設(shè)置鋪墊,觀察分析實(shí)驗與事例,讓學(xué)生建立、發(fā)展、應(yīng)用守恒的觀念,并對建立的觀念進(jìn)行反思,有效地形成物理觀念,達(dá)成識定的教學(xué)目標(biāo)．

3 教學(xué)過程實(shí)施

3.1 新課導(dǎo)入

播放中央電視臺“2011年感動中國”頒獎典禮開場片段,通過人文素材導(dǎo)引新課,說明追求變化之中不變的觀念之普適性．

主持人敬一丹:“觀眾朋友,這里是感動中國,讓我們一起走進(jìn)感動中國2010年度人物評選頒獎盛典”．

主持人白巖松:“還是這個季節(jié),還是這個時間,還是對溫暖的渴望,還是您期待的目光,在這個極具變化的時代里,總要有一些不變的東西,讓我們向前走的時候,會更踏實(shí),接下來我們就再度與感動相逢……”

師:在這極具變化的時代,文化工作者在努力尋找一種不變的東西,這是感動我們的一些人和事,這是我們社會所要弘揚(yáng)的價值理念．科學(xué)工作者,面對不斷變化的物質(zhì)世界,他們也要努力尋找不變的東西,尋找變化之中的不變量,這就是本節(jié)課要研究的主題．……

3.2 新課內(nèi)容

3.2.1 理解守恒觀念的鋪墊引導(dǎo)——水流問題

圖1

問題:開口朝下的水龍頭口較小時,會形成一條連續(xù)的水柱,水沿豎直方向流下,仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)水柱的直徑是不斷減小的．現(xiàn)測得水在出口處的速度大小為1 m/s,出口處水柱的直徑為1 cm,出水口離接水盆距離為75 cm．求水流柱在落至接水盆前瞬間的直徑大?。?g=10 m/s2)

學(xué)生思考分析:由于這一段水柱的體積不變,因此在液柱的上下各取一個截面,如圖1所示，在相等的時間內(nèi)通過這兩個截面的水的體積一定相等,否則這一段水柱的體積將會發(fā)生變化．

在Δt時間內(nèi)通過上下截面處的水的體積為

師:很好!本題體現(xiàn)連續(xù)流體的質(zhì)量守恒或體積守恒,需用守恒的思想觀念來分析解決．

3.2.2 顯露守恒觀念的史例呈現(xiàn)——伽利略理想斜面實(shí)驗

先簡介伽利略生平,再演示對接斜面實(shí)驗,小球從斜面上某一位置釋放,小球能滾上另一斜面某一高度,引導(dǎo)學(xué)生觀察小球上升的高度與原高度的不同．

學(xué)生匯報觀察結(jié)果:小球上升的最高位置比釋放位置低．

教師提問:如果沒有空氣阻力和其他阻力,小球滾上另一斜面的位置會怎樣呢?

學(xué)生討論回答:小球會滾上另一斜面等高的位置．

教師:對!伽利略也是這樣分析的．但這在實(shí)驗室里是無法完成的,無法用實(shí)驗加以證實(shí)．

教師通過課件演示伽利略理想斜面實(shí)驗情景．

教師問:伽利略判斷的依據(jù)是什么呢?

教師答:在不考慮空氣阻力和其他阻力的情況下,伽利略已經(jīng)認(rèn)為小球有一“東西”是不變的,但他沒有進(jìn)一步給出這一不變的東西是什么．這說明在伽利略時代,能量及其能量守恒的思想開始有了萌芽．

3.2.3 形成守恒觀念的實(shí)踐體驗——單擺實(shí)驗

圖2

學(xué)生實(shí)驗:讓單擺擺球擺動,學(xué)生觀察．

師問:小球怎樣運(yùn)動?

生答:小球在最低點(diǎn)兩側(cè)來回擺動,且左右兩側(cè)最高位置幾乎等高．

師問:小球為什么這樣運(yùn)動?

生答:如圖2所示，小球受重力和繩子拉力的作用,向下擺時,T和G2的合力提供小球做圓周運(yùn)動的向心力,G1的作用效果使小球的速度越來越大;向上擺時,T和G2的合力仍提供向心力,G1的作用效果使小球的速度越來越小,當(dāng)小球的速度減為0后再向下運(yùn)動．

師問:為什么小球總會擺到剛才釋放時的高度,好像總記得剛才釋放時的高度一樣呢?

師分析:牛頓運(yùn)動規(guī)律能做出解釋,只是我們現(xiàn)有的數(shù)學(xué)知識還不夠．那換一角度思考,這說明小球在運(yùn)動過程中某種“東西”是不變的．這種不變的“東西”是什么呢?這“東西”就是“能量”．

師再問:小球在擺動過程中,能量不變,具體能量是怎樣轉(zhuǎn)化的呢?

圖3

教師給出動能、勢能、重力勢能等概念的定義．

生答:如圖3所示，小球從A到O,重力勢能轉(zhuǎn)化為動能,從O到B,動能轉(zhuǎn)化為重力勢能,從B到O,重力勢能轉(zhuǎn)化為動能,從O到A,動能轉(zhuǎn)化為重力勢能．

師總結(jié):小球在運(yùn)動的過程中,小球的位置、高度、受力、速度、加速度、動能、重力勢能等物理量不斷在發(fā)生變化.在這復(fù)雜變化的背景下隱含某一“東西”是不變的,尋找變化中的不變量是物理學(xué)研究的任務(wù)和方向．

3.2.4 鞏固守恒觀念的應(yīng)用訓(xùn)練——彈簧振子實(shí)驗

演示實(shí)驗:讓水平方向的彈簧振子振動起來,引導(dǎo)學(xué)生觀察．

師問:小球在怎樣運(yùn)動?小球為什么會這樣運(yùn)動?

圖4

生答:如圖4所示，小球左右來回運(yùn)動,在運(yùn)動過程中,左、右兩側(cè)最遠(yuǎn)位置到O點(diǎn)的距離相等．從B到O,小球受力不斷變小,做加速度減小的加速運(yùn)動;從O到C,小球受力不斷變大,做加速度增大的減速運(yùn)動;從C到O,小球受力不斷變小,做加速度減小的加速運(yùn)動;從O到B,小球受力不斷增大,做加速度增大的減速運(yùn)動．

師問:為什么小球左、右兩側(cè)最遠(yuǎn)位置到O點(diǎn)的距離相等呢?

學(xué)生討論回答:說明小球在運(yùn)動過程中也有某一“東西”保持不變,它也是能量．

師:很好.這里涉及到動能和彈性勢能的轉(zhuǎn)化．

教師給出彈性勢能定義．

師問:物體在運(yùn)動過程中,動能和彈性勢能是如何轉(zhuǎn)化的呢?總量是否變化呢?

生討論回答:從B到O,彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能;從O到C,動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能;從C到O,彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能;從O到B,動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能．小球在運(yùn)動的過程中,小球的受力、速度、加速度、偏離平衡位置的位移、動能、彈性勢能等在不斷發(fā)生變化,但動能和彈性勢能的總量是不變的．

3.2.5 發(fā)展守恒觀念的史例分析——焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗

簡介物理學(xué)家焦耳生平．再介紹焦耳在1840至1849年間完成的多個測量熱功當(dāng)量數(shù)值實(shí)驗中的一個.

圖5 測熱功當(dāng)量實(shí)驗圖

師問:在上述實(shí)驗中,焦耳為什么能認(rèn)為電流做的功等于電熱絲放出的熱量,即等于液體、量熱器內(nèi)筒包括攪拌器吸收的熱量呢?

生答:焦耳認(rèn)為電能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化時總量是守恒的．

師:很好.也說明當(dāng)時焦耳已經(jīng)具有了普遍的能量守恒思想．能量概念及能量守恒定律的建立是焦耳那個時代一大批科學(xué)家研究的成果,其中焦耳提供了堅實(shí)可靠的實(shí)驗基礎(chǔ)．

3.2.6 強(qiáng)化守恒觀念的事實(shí)檢驗——中微子發(fā)現(xiàn)

呈現(xiàn)閱讀材料:中微子是基本粒子家族的成員之一,它不帶電,質(zhì)量非常輕(小于電子的百萬分之一),以接近光速運(yùn)動,它與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用的幾率很小,因此,人們不容易捕捉它,用實(shí)驗證實(shí)其存在十分困難．

問題起因:在上世紀(jì)上半期,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一個中子衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子和一個電子時,發(fā)現(xiàn)一個質(zhì)子和一個電子的能量加起來達(dá)不到中子的能量．如何解釋?

當(dāng)時有兩種觀點(diǎn).一種觀點(diǎn)認(rèn)為，能量守恒定律不成立了,例如玻爾曾一度提出,或許能量守恒定律只是在統(tǒng)計意義上成立,在這里就不成立了;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，能量收支不平衡是因為有一樣別的東西，即某種粒子將一部分能量帶跑掉了,這一觀點(diǎn)是1930年德國物理學(xué)家泡利提出的,后來費(fèi)米把這種粒子命名為中微子．

學(xué)生討論總結(jié):泡利觀點(diǎn)正確,泡利正確觀點(diǎn)的形成是基于能量守恒的觀念．

師:很好.同時也說明能量守恒定律在微觀領(lǐng)域內(nèi)是成立的．

3.2.7 建立守恒觀念的批判反思——伽利略對接斜面實(shí)驗

回頭再分析對接斜面演示實(shí)驗．

師問:為什么小球從斜面上某一位置釋放,在對接斜面上小球上升的位置總是比釋放位置低呢?

生答:說明在實(shí)驗條件下,小球在運(yùn)動過程中,它所具有的動能與重力勢能的總量是減少的．

師總結(jié):對.只有在理想的條件下,即不考慮摩擦和其他阻力的條件下,動能與重力勢能的總量才是守恒的．因此,應(yīng)用守恒觀念分析解決問題時,應(yīng)考慮某一“東西”守恒是否有前提條件?并進(jìn)一步思考要有什么樣的條件?

3.3 導(dǎo)引下節(jié)新課

師問:上述單擺實(shí)驗和彈簧振子實(shí)驗,動能和勢能在不斷地轉(zhuǎn)化,那么如何定量地研究動能和勢能呢?動能和勢能的轉(zhuǎn)化又是如何實(shí)現(xiàn)的呢?這是我們下一節(jié)課要研究的問題．

4 教學(xué)總結(jié)反思

由于本人對物理課程目標(biāo)的認(rèn)識在不斷地加深,因此當(dāng)遇到這一觀念性教育的素材時,覺得這是難得的,于是對教材進(jìn)行了適當(dāng)?shù)耐诰?努力探尋物理觀念教學(xué)的規(guī)律性．從學(xué)生課堂反映和課后的反饋了解,本節(jié)課基本達(dá)到課前設(shè)定的目標(biāo)．但本節(jié)課的設(shè)計在追尋守恒量的必要性及可能性等方面挖掘不夠,同時設(shè)計者雖有意向去培養(yǎng)學(xué)生超越學(xué)科知識方法之上的守恒思想,但一節(jié)課的教育效果可能是有限的,須在以后的教學(xué)中不斷鞏固拓展與強(qiáng)化．

1 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材開發(fā)中心.物理必修2教師教學(xué)用書[M].北京:人民教育出版社,2014:100-102.

2 教育部.教育部關(guān)于全面深化課程改革,落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見[Z],2014.

3 任建英.談物理觀念[J].物理教學(xué),2017(2):49-52.

2017-05-23)