張曉

一、能量守恒定律的概念進(jìn)階

對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，能量守恒定律的學(xué)習(xí)主要有三個(gè)過(guò)程。

第一個(gè)過(guò)程是初中階段，學(xué)生初步認(rèn)識(shí)動(dòng)能、勢(shì)能，也簡(jiǎn)單了解化學(xué)能、太陽(yáng)能等其它形式的能量，知道動(dòng)能和勢(shì)能之間可以相互轉(zhuǎn)化，定性了解能量守恒，主要是機(jī)械能守恒，沒(méi)有定量計(jì)算，也沒(méi)有推理和論證。這是學(xué)生初步接觸能量守恒，初步認(rèn)識(shí)能量守恒，初步建立能量守恒的思想。

第二個(gè)過(guò)程是在高中物理必修2課程中，機(jī)械能部分，從功和能的角度論證了機(jī)械能守恒定律，涉及到了定量計(jì)算，與初中相比邏輯更嚴(yán)密，認(rèn)識(shí)更深刻，在教科版和人教版的教材中，隨后均安排了能量守恒定律的內(nèi)容及能源的開(kāi)發(fā)與利用等內(nèi)容，進(jìn)行了適度的拓展和加深。與初中內(nèi)容相似，只是定量了，這就進(jìn)了一大步。這時(shí)的學(xué)生對(duì)能量守恒的認(rèn)識(shí)深刻了一些，也能用能量守恒定律分析和解決一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題，對(duì)第一類永動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的認(rèn)識(shí)會(huì)更深刻一些。

第三個(gè)過(guò)程是高中物理選修3-3課程中，熱力學(xué)定律與能量守恒部分，這個(gè)過(guò)程也是最重要的過(guò)程，是前面兩個(gè)過(guò)程的深化與拓展，是學(xué)生形成正確而全面的能量守恒思想的關(guān)鍵，無(wú)論是人教版還是教科版，教材都安排了豐富的內(nèi)容，主要是熱力學(xué)定律，從內(nèi)能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化的角度進(jìn)一步說(shuō)明了能量守恒，同時(shí)，還告訴我們兩點(diǎn)，其一是能量轉(zhuǎn)化是有方向性的，比如熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，在摩擦生熱的過(guò)程中機(jī)械能可以很容易轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不容易完全轉(zhuǎn)化成機(jī)械能而不引起其它變化，這就是熱力學(xué)第二定律;其二是能量是有品質(zhì)的，電能的應(yīng)用非常廣泛，風(fēng)能、水能是綠色無(wú)污染的能源，煤炭、石油是常規(guī)能源，污染比較嚴(yán)重，所以，盡管能量是守恒的，我們還一定要節(jié)約能源，為后人造福，強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。這就要求學(xué)生要有辯證的思想、洞察一切的眼光，全面深刻認(rèn)識(shí)能量守恒定律這一自然界的基本規(guī)律。

二、能量守恒定律的建立過(guò)程

（一）背景：各種類型的能量之間是可能相互轉(zhuǎn)化的

（二）能量守恒定律的創(chuàng)立過(guò)程

主要有三個(gè)代表人物：

1.邁爾（1814-1878）

德國(guó)的醫(yī)生，物理學(xué)家。邁爾從生理學(xué)的角度開(kāi)始對(duì)能量進(jìn)行研究，他從“無(wú)不生有，有不變無(wú)”的哲學(xué)觀念出發(fā)，表達(dá)了對(duì)能量轉(zhuǎn)化和守恒思想，他分析了25種能量的轉(zhuǎn)化和守恒現(xiàn)象，成為世界上最先闡述能量守恒思想的人。

2.焦耳（1818-1889）

英國(guó)物理學(xué)家，焦耳對(duì)能量守恒的研究工作始于電流的熱效應(yīng)，1840年得到了焦耳定律，在此后30多年，先后做實(shí)驗(yàn)400多次，測(cè)得了大量數(shù)據(jù)，測(cè)出了熱功當(dāng)量的數(shù)值。這一結(jié)論為能量守恒定律建立了牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3.亥姆霍茲（1821-1894）

德國(guó)物理學(xué)家，1847年，在柏林物理學(xué)會(huì)議上，他分析了化學(xué)能、機(jī)械能、電磁能、光能等不同形式的能的轉(zhuǎn)化和守恒，并且把結(jié)果跟永動(dòng)機(jī)不可能制造成功聯(lián)系起來(lái)，他認(rèn)為不可能無(wú)中生有的創(chuàng)造一個(gè)永久的推動(dòng)力，機(jī)器能能轉(zhuǎn)化能量，不能創(chuàng)造和消滅能量。亥姆霍茲在論文里對(duì)能量守恒定律作了一個(gè)清晰、全面而且概括的論述，使這一定律為人們廣泛接受。

三、能量守恒定律的驗(yàn)證

（一）實(shí)驗(yàn)探究

我們做過(guò)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)，是通過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度和位移的測(cè)量來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒，我們可以設(shè)置新的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證能量守恒。

比如：如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)電流、電壓、時(shí)間的測(cè)量，計(jì)算消耗的電能，通過(guò)水溫的測(cè)量計(jì)算水吸收的熱量，兩者對(duì)比就可以得到能量守恒的結(jié)論。

（二）理論推導(dǎo)

對(duì)于機(jī)械能守恒，學(xué)生一般都能進(jìn)行理論推導(dǎo)驗(yàn)證，我們還可以創(chuàng)設(shè)一些新的情景，運(yùn)用我們學(xué)過(guò)的知識(shí)，通過(guò)理論論證能量是守恒的。

（三）永動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)也是能量守恒定律的有力證據(jù)?？赏ㄟ^(guò)圖片展示各種永動(dòng)機(jī)模型，比如右圖所示永動(dòng)機(jī)模型，上面水槽中的水，從底部出水口流下時(shí)，沖擊葉片，葉片帶動(dòng)水輪機(jī)，將下面水槽中的水抽到上面的水槽中，如此往復(fù)，永不停止。是這樣的嗎？不可能，葉片不可能帶動(dòng)水輪機(jī)將水抽到高處?？此朴械览淼母黝愑绖?dòng)機(jī)都是不能實(shí)現(xiàn)的。

還可以讓學(xué)生觀看網(wǎng)上傳播的永動(dòng)機(jī)視頻，讓學(xué)生明白一個(gè)道理，沒(méi)有任何能量消耗，卻源源不斷地向外輸出能量，這是絕不可能的，科學(xué)容不得半點(diǎn)虛假。

在實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)論證的基礎(chǔ)上，我們完全有理由相信，在任何能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能量的總量一定保持不變，進(jìn)行了合理的外推后，我們就得到能量守恒定律了。

四、能量守恒定律的拓展與加深

在這節(jié)課的最后，我會(huì)拋出一個(gè)問(wèn)題：既然能量是守恒的，能量總量即不會(huì)憑空消滅，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，為什么還會(huì)有“能源危機(jī)”呢？這個(gè)問(wèn)題請(qǐng)大家課后思考討論。

其實(shí)是想告訴學(xué)生，能量是有序的，不同形式能量的品質(zhì)是不一樣的，激發(fā)學(xué)生對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。