能量守恒观念形成的教学探寻

李鸿彬

(南京外国语学校，江苏 南京 210008)

能量守恒观念形成的教学探寻

李鸿彬

(南京外国语学校，江苏 南京 210008)

物理观念是高中物理核心素养的重要方面,通过教学帮助学生形成正确的物理观念是物理教学超越于知识、方法目标的更为重要的教学目标．本文以“追寻守恒量—能量”一节为例,设计了守恒观念教学的各个环节,研究了形成物理观念的教学规律性,即“铺垫—建立—巩固—发展—强化—反思”．

观念形成;教学规律;研究

1 教学目标分析

“观念”是人们对事情的主观与客观认识的系统化之集合体,人们会根据自身形成的观念进行各种活动．“物理观念”是高中物理核心素养的重要方面,新课程标准提出:“物理观念”主要包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素．”其实,物理观念还有超越这几方面的内容,它们是在这些内容之上的进一步提炼与升华,像守恒观念、对称观念等．

“追寻守恒量”是人教版高中物理课本必修2第7章“机械能守恒定律”的开篇内容,章眉处给了德国物理学家劳厄的一段话:“物理学的任务是发现普遍的自然规律．因为这样的规律的最简单的形式之一表现为某种物理量的不变性,所以对于守恒量的寻求不仅是合理的,而且也是极为重要的研究方向”．

本节内容不多,主要是围绕追寻“什么东西守恒”而形成了“能量”概念.它不仅有清晰的知识目标、方法目标,还有重要的观念养成目标．守恒关系应是自然界客观存在的一种重要关系.通过本节教学,旨在培养学生守恒观念,并要求学生能用它去解决实际问题,甚至描述自然界的图景和人类社会的图景．应该说,这一目标比知识、方法目标更为重要．鉴于观念具有的主观性、实践性、历史性、发展性等特点,形成物理观念的教学也应有其相应规律．

2 教学流程设计

首先用视频导入新课;接着分析水流问题,对理解守恒观念进行铺垫;再依次对伽利略理想斜面实验、单摆实验、弹簧振子实验进行观察与分析,让学生建立和巩固动能与重力势能、弹性势能之间转化时总量守恒的观念;再分析焦耳热功当量实验,体现出电能与内能间转化时总量也守恒,发展学生的守恒观念;再分析中微子发现事例,强化学生的守恒观念并说明守恒观念是物理研究的思想方法;最后再分析对接斜面实验,对建立的守恒观念进行反思．基于观念的诸多特点,通过问题导引,设置铺垫,观察分析实验与事例,让学生建立、发展、应用守恒的观念,并对建立的观念进行反思,有效地形成物理观念,达成识定的教学目标．

3 教学过程实施

3.1 新课导入

播放中央电视台“2011年感动中国”颁奖典礼开场片段,通过人文素材导引新课,说明追求变化之中不变的观念之普适性．

主持人敬一丹:“观众朋友,这里是感动中国,让我们一起走进感动中国2010年度人物评选颁奖盛典”．

主持人白岩松:“还是这个季节,还是这个时间,还是对温暖的渴望,还是您期待的目光,在这个极具变化的时代里,总要有一些不变的东西,让我们向前走的时候,会更踏实,接下来我们就再度与感动相逢……”

师:在这极具变化的时代,文化工作者在努力寻找一种不变的东西,这是感动我们的一些人和事,这是我们社会所要弘扬的价值理念．科学工作者,面对不断变化的物质世界,他们也要努力寻找不变的东西,寻找变化之中的不变量,这就是本节课要研究的主题．……

3.2 新课内容

3.2.1 理解守恒观念的铺垫引导——水流问题

图1

问题:开口朝下的水龙头口较小时,会形成一条连续的水柱,水沿竖直方向流下,仔细观察会发现水柱的直径是不断减小的．现测得水在出口处的速度大小为1 m/s,出口处水柱的直径为1 cm,出水口离接水盆距离为75 cm．求水流柱在落至接水盆前瞬间的直径大小．(g=10 m/s2)

学生思考分析:由于这一段水柱的体积不变,因此在液柱的上下各取一个截面,如图1所示，在相等的时间内通过这两个截面的水的体积一定相等,否则这一段水柱的体积将会发生变化．

在Δt时间内通过上下截面处的水的体积为

师:很好!本题体现连续流体的质量守恒或体积守恒,需用守恒的思想观念来分析解决．

3.2.2 显露守恒观念的史例呈现——伽利略理想斜面实验

先简介伽利略生平,再演示对接斜面实验,小球从斜面上某一位置释放,小球能滚上另一斜面某一高度,引导学生观察小球上升的高度与原高度的不同．

学生汇报观察结果:小球上升的最高位置比释放位置低．

教师提问:如果没有空气阻力和其他阻力,小球滚上另一斜面的位置会怎样呢?

学生讨论回答:小球会滚上另一斜面等高的位置．

教师:对!伽利略也是这样分析的．但这在实验室里是无法完成的,无法用实验加以证实．

教师通过课件演示伽利略理想斜面实验情景．

教师问:伽利略判断的依据是什么呢?

教师答:在不考虑空气阻力和其他阻力的情况下,伽利略已经认为小球有一“东西”是不变的,但他没有进一步给出这一不变的东西是什么．这说明在伽利略时代,能量及其能量守恒的思想开始有了萌芽．

3.2.3 形成守恒观念的实践体验——单摆实验

图2

学生实验:让单摆摆球摆动,学生观察．

师问:小球怎样运动?

生答:小球在最低点两侧来回摆动,且左右两侧最高位置几乎等高．

师问:小球为什么这样运动?

生答:如图2所示，小球受重力和绳子拉力的作用,向下摆时,T和G2的合力提供小球做圆周运动的向心力,G1的作用效果使小球的速度越来越大;向上摆时,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来越小,当小球的速度减为0后再向下运动．

师问:为什么小球总会摆到刚才释放时的高度,好像总记得刚才释放时的高度一样呢?

师分析:牛顿运动规律能做出解释,只是我们现有的数学知识还不够．那换一角度思考,这说明小球在运动过程中某种“东西”是不变的．这种不变的“东西”是什么呢?这“东西”就是“能量”．

师再问:小球在摆动过程中,能量不变,具体能量是怎样转化的呢?

图3

教师给出动能、势能、重力势能等概念的定义．

生答:如图3所示，小球从A到O,重力势能转化为动能,从O到B,动能转化为重力势能,从B到O,重力势能转化为动能,从O到A,动能转化为重力势能．

师总结:小球在运动的过程中,小球的位置、高度、受力、速度、加速度、动能、重力势能等物理量不断在发生变化.在这复杂变化的背景下隐含某一“东西”是不变的,寻找变化中的不变量是物理学研究的任务和方向．

3.2.4 巩固守恒观念的应用训练——弹簧振子实验

演示实验:让水平方向的弹簧振子振动起来,引导学生观察．

师问:小球在怎样运动?小球为什么会这样运动?

图4

生答:如图4所示，小球左右来回运动,在运动过程中,左、右两侧最远位置到O点的距离相等．从B到O,小球受力不断变小,做加速度减小的加速运动;从O到C,小球受力不断变大,做加速度增大的减速运动;从C到O,小球受力不断变小,做加速度减小的加速运动;从O到B,小球受力不断增大,做加速度增大的减速运动．

师问:为什么小球左、右两侧最远位置到O点的距离相等呢?

学生讨论回答:说明小球在运动过程中也有某一“东西”保持不变,它也是能量．

师:很好.这里涉及到动能和弹性势能的转化．

教师给出弹性势能定义．

师问:物体在运动过程中,动能和弹性势能是如何转化的呢?总量是否变化呢?

生讨论回答:从B到O,弹性势能转化为动能;从O到C,动能转化为弹性势能;从C到O,弹性势能转化为动能;从O到B,动能转化为弹性势能．小球在运动的过程中,小球的受力、速度、加速度、偏离平衡位置的位移、动能、弹性势能等在不断发生变化,但动能和弹性势能的总量是不变的．

3.2.5 发展守恒观念的史例分析——焦耳热功当量实验

简介物理学家焦耳生平．再介绍焦耳在1840至1849年间完成的多个测量热功当量数值实验中的一个.

图5 测热功当量实验图

师问:在上述实验中,焦耳为什么能认为电流做的功等于电热丝放出的热量,即等于液体、量热器内筒包括搅拌器吸收的热量呢?

生答:焦耳认为电能与内能转化时总量是守恒的．

师:很好.也说明当时焦耳已经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个时代一大批科学家研究的成果,其中焦耳提供了坚实可靠的实验基础．

3.2.6 强化守恒观念的事实检验——中微子发现

呈现阅读材料:中微子是基本粒子家族的成员之一,它不带电,质量非常轻(小于电子的百万分之一),以接近光速运动,它与其他物质发生相互作用的几率很小,因此,人们不容易捕捉它,用实验证实其存在十分困难．

问题起因:在上世纪上半期,科学家发现，一个中子衰变为一个质子和一个电子时,发现一个质子和一个电子的能量加起来达不到中子的能量．如何解释?

当时有两种观点.一种观点认为，能量守恒定律不成立了,例如玻尔曾一度提出,或许能量守恒定律只是在统计意义上成立,在这里就不成立了;另一种观点认为，能量收支不平衡是因为有一样别的东西，即某种粒子将一部分能量带跑掉了,这一观点是1930年德国物理学家泡利提出的,后来费米把这种粒子命名为中微子．

学生讨论总结:泡利观点正确,泡利正确观点的形成是基于能量守恒的观念．

师:很好.同时也说明能量守恒定律在微观领域内是成立的．

3.2.7 建立守恒观念的批判反思——伽利略对接斜面实验

回头再分析对接斜面演示实验．

师问:为什么小球从斜面上某一位置释放,在对接斜面上小球上升的位置总是比释放位置低呢?

生答:说明在实验条件下,小球在运动过程中,它所具有的动能与重力势能的总量是减少的．

师总结:对.只有在理想的条件下,即不考虑摩擦和其他阻力的条件下,动能与重力势能的总量才是守恒的．因此,应用守恒观念分析解决问题时,应考虑某一“东西”守恒是否有前提条件?并进一步思考要有什么样的条件?

3.3 导引下节新课

师问:上述单摆实验和弹簧振子实验,动能和势能在不断地转化,那么如何定量地研究动能和势能呢?动能和势能的转化又是如何实现的呢?这是我们下一节课要研究的问题．

4 教学总结反思

由于本人对物理课程目标的认识在不断地加深,因此当遇到这一观念性教育的素材时,觉得这是难得的,于是对教材进行了适当的挖掘,努力探寻物理观念教学的规律性．从学生课堂反映和课后的反馈了解,本节课基本达到课前设定的目标．但本节课的设计在追寻守恒量的必要性及可能性等方面挖掘不够,同时设计者虽有意向去培养学生超越学科知识方法之上的守恒思想,但一节课的教育效果可能是有限的,须在以后的教学中不断巩固拓展与强化．

1 人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材开发中心.物理必修2教师教学用书[M].北京:人民教育出版社,2014:100-102.

2 教育部.教育部关于全面深化课程改革,落实立德树人根本任务的意见[Z],2014.

3 任建英.谈物理观念[J].物理教学,2017(2):49-52.

2017-05-23)