深度挖掘教材培养学生的能量观念

2018-07-20贵州王一帆

教学考试(高考物理) 2018年4期

贵州王一帆

党的十九大明确提出：“要全面贯彻党的教育方针，落实立德树人的根本任务，发展素质教育，推进教育公平，培养德智体美全面发展的社会主义建设者和接班人。”如何落实立德树人的根本任务，成为当下最重要的教育课题。同时，2017年版的普通高中课程标准提出落实方案，发展学生核心素养，落实立德树人的根本任务，而能量观念正是物理学科核心素养要素之一。笔者认为，准确领会功能关系和能量守恒的内涵，挖掘好课后习题的编排意义，可帮助学生形成物理学科中的能量观念。

一、准确领会功能关系与能力守恒定律的内涵

功是能量转化的量度。从功能关系的角度讲，一个物体能对外做功，说明这个物体具有能量，即做了多少功，就说明有多少能量发生转化；从能量守恒的角度讲，能量在转移和转化的过程中，某一部分的能量可能会减少或是增加，但在整个参与转移或转化的物体所组成的系统中，各部分能量的总和是不变的。在中学物理学习过程中，功能关系和能量守恒是能量观念的两条不同思路体现，科学的能量观念的形成，首先要搞清楚常见的功能关系和能量守恒的基本内涵，以防止在应用的过程中将两种全然不同的思想方法混为一谈。

(一)常见的功能关系

在高中常见的功能关系里，动能定理在各种版本教材中都以样例的内容展示给大家，与牛顿第二定律和动量定理组成解决高中物理问题的三大法宝。现实的情况是，有老师和学生认为，只要对动能定理的思想方法有准确理解，加之其在物理学中有广泛地应用，似乎能解决很多有关能量问题，以至于对其他几个功能关系的认识有所淡化，若真是这样，那必然影响解题速度，也不利于对功能关系的深刻认识，要想在高考中顺利过关谈何容易。以下是常见的功能关系：

1.合外力做功等于动能的变化量(动能定理)：

W总⟺Ek，即W总=Ek2-Ek1。

2.一对滑动摩擦力做功之和等于产生的热量，也等于滑动摩擦力与相对位移的乘积：

Wf⟺Q热，即Q热=|Wf|=fΔs。

3.除重力和系统内弹力之外的其他力做功等于系统机械能的变化量：

WG和系统内弹力⟺E机，即W除G和系统内弹力=E机2-E机1。

4.重力做功等于重力势能的减少量：

WG⟺EP，即WG=Ep1-Ep2。

5.弹簧弹力做功等于弹性势能的减少量：

W弹⟺E弹，即W弹=E弹1-E弹2。

6.分子力做功等于分子势能的减少量：

W分⟺E分，即W分=E分1-E分2。

7.电场力做功等于电势能的减少量：

W电⟺ε电，即W电=ε1-ε2。

8.安培力做功等于电能的减少量：

W安⟺E电能，即W安=E电能1-E电能2。

(二)能量守恒思想方法

能量既不会消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变，这是自然界最基本的规律之一，也为我们人类提供了一种科学的思考依据。能量守恒是任何时候都存在的，各种版本的教材中特意把机械能守恒单独列出来，目的是让学生感受受限制的守恒关系。

1.系统内能量守恒，即系统内减少的总能量与增加的总能量相等：

E减少=E增加。

2.机械能守恒条件：只有重力或系统内弹力做功，系统机械能守恒。特别注意系统内弹力做功，系统机械能守恒的条件也是满足的：

即E动1+Ep重1+Ep弹1=E动2+Ep重2+Ep弹2。

通过以上呈现，不难发现，功能关系和能量守恒是两种不同的思考思路。功能关系更加细致具体，把过程中的每个力做的功都求出来，注重过程量和状态量之间的一一对应关系；而能量守恒不谈做功，注重整体把握，统筹归纳，关注的是能量分布及初末状态，若不能清楚理解两者的本质，在具体解题过程中，很容易搞混淆。

二、挖掘教材习题，强化能量观念

教材习题直观具体地反映教学内容，深度挖掘教材，找准教材内容与课本练习之间的联系，利用课后习题进行变式训练，通过高考试题的检验，对教材编者的本来意图会有更加深刻地理解，下面选定两道课后习题对能量观念的形成加以解释。

【例题1】(教材原题：高中物理鲁科版必修二第二章第38页习题4)如图1所示，质量为m的苹果，从距地面高度为H的树上由静止开始落下，树下有一深度为h的坑。若以地面为零势能参考平面，则当苹果落到坑底时的机械能为

( )

图1

A.mghB.mgH

C.mg(H+h) D.mg(H-h)

【答案】B

【例题2】(教材原题：高中物理人教版必修二第七章第74页习题2)游乐场的过山车可以底朝上在圆轨道上运行，游客却不会掉下来(图2甲)。我们把这种现象抽象为图2乙的模型：弧形轨道的下端与竖直圆轨道相接，使小球从弧形轨道上端滚下，小球进入圆轨道下端后沿圆轨道运动。实验发现，只要h大于一定值，小球就可以顺利通过圆轨道的最高点。如果已知圆轨道的半径为R，h至少要等于多大？不考虑摩擦阻力。