浅谈能量守恒在物理核心素养中的意义

周万里

【摘 要】在能量守恒定律的发现过程中，许多科学家为之付出了巨大的努力，也留下了宝贵的经验，为物理教学提过了丰富的材料，通过对能量守恒的认真学习，必将对同学们的价值观念思维能力产生深远的影响。

【关键词】能量守恒 转移转化 核心素养

中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2018.03.053

新修订的2017年版普通高中物理課程标准，以学科本质为中心，充分体现物理学科的核心素养，为终生发展、应对社会挑战打基础，新课标具体要求以包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面，下面我以能量的转化与守恒为例详细分析其在物理核心素养中的意义。

一、认识能量的转化与守恒

1.自然界中的能量的形式不尽相同，如：内能、势能、动能等。

2.各种能量之间可以相互转化，例如箭从弓上射出的过程就是把弹性势能转化为动能的过程。

3.一种形式能量的改变对应一种形式的力做功，例如由动能定理可知动能的改变等于合力所做的功，重力势能的改变只能通过重力做功来实现。

4.功是能量转化的量度，不同形式的能量在转化过程中必须通过做功来实现，而且力做多少功对应的能量就转化多少。

5.能量守恒定律：能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转化为另外一种形式，从一个物体转移到另外一个物体或从物体的一部分转移到另一部分，在转移和转化的过程中其总量保持不变。

二、在物理观念的意义

物理观念是基于物理学概念规律等的学习，以物理学视角分析自然现象和实际问题。通过对能量守恒的学习，我们来看一个摩擦生热的现象，摩擦生热是一种常见的物理现象，但很少有人知道摩擦为什么会生热？

在这里“热”指温度，而温度是物体内能的体现，通过能量守恒可知，在摩擦的过程中，物体克服摩擦力做功，把其他形式的能量转化为内能，使物体的内能增大从而导致温度升高，摩擦过程能量并没有消失，只是通过做功从一种形式转化为另外一种形式而已，这就是能量守恒的规律。“摩擦焊接”技术有着精度高、范围广、成本低等优点而被广泛的应用于各种工业生产中，它就是将两个焊件的焊接端面上加一定的轴向压力，使接触面间剧烈的摩擦运动，使接触面温度不断升高，达到一定的焊接温度时停止运动，再施加一定的压力，使两个焊件牢固地焊接在一起，通过对能量的转化利用就能很好的服务于我们的工业生产和日常生活。

三、在科学思维的意义

学生通过对实际问题的质疑批判、假设猜想、分析综合、逻辑推理等科学方法对实际问题进行抽象概括和物理建模而具备的能力就是科学思维。能量的转化与守恒的思想对我们合理的解决各类问题提供了依据，电力的有效利用是第二次工业革命的基础，而我们现在的生活更是离不开电，正所谓一日无电，度日如年，所以人们通过各种方式来获得电能，如风力发电是将空气的动能转化为电能的过程水力发电，它是将水的重力势能转化为电能的过程，这些过程都是对能量的转化与守恒的思想有效利用。能量守恒对解决新问题，预言新事物提供了强有力的理论依据。在物理学史上有不少杰出的人才为了发明永动机付出巨大的精力和时间，他们设想不用消耗任何燃料而不停地运转，源源不断地提供能量，但结果确是徒劳无获，直到19世纪关于能量守恒定律的确立，人们才认识到永动机是不可能制造出来的。

四、在科学探究的意义

科学探究是针对物理问题，通过观察和实验的手段对获得的现象结果进行分析论证的过程，也是对探究过程中对交流、评估、反思等能力的考验和锻炼。爱因斯坦说过：“纯粹逻辑思维不能给我们任何经验世界的知识，所有真实的知识都是从经验出发并在经验中完成。”英国科学家焦耳，从最初的磁电机做功发热现象开始，对电流的热效应进行了大量的实验研究，最终发现了焦耳定律，得出消耗的电能等于电阻增加的内能，为能量守恒定律的通过了有力证据。在高中物理教学中通过安排验证动能定理和机械能守恒定律的实验等科学探究的内容来锻炼同学们的动手操作、交流分析、思考判断等相关的科学素养，使同学们具备适应新环境迎接新挑战的能力。

五、科学态度与责任

科学态度与责任感是在科学知识的学习中，逐渐形成的探索自然的内在动力，包括严谨求实的科学态度，对社会可持续发展的责任感。能量的转移和转化是有条件的，动物吃草人吃饭，都是为了获得能量，但是人很难通过吃草来获得能量，这就要求我们养成节约的习惯，珍惜资源，用能量守恒的观点看问题，强烈的责任感对待我们的生活。能量守恒定律的发现过程是漫长而又艰辛的，期间充满着各种挑战，德国科学家迈尔年轻的时候是一位医生，他在一次随船从荷兰到印度的过程中发现病人的静脉血比在欧洲时更加鲜红，他经过认真思考发现，红色素是血液中氧化反应的产物，赤道附近天气炎热，人的体温不需消耗太多的能量，从而不需要消耗太多的氧，导致血液更加鲜红，迈尔并没有止步于此，回去后他继续探究，发现通过搅拌纸浆，可以使纸浆温度升高，通过大量的实验逐渐认识到了能量之间相互转化的规律，在他发表的数篇论文中，明确提出能量是不灭的，可以相互转化的，物质的量是守恒不变的，它既适用于物质也适用于能量。这些理论为能量守恒定律的最终提出奠定了坚实的基础，尽管如此，他的观点在当时没有得到广泛认可，他在演说自己的观点时却被认为是疯子，甚至遭到了很多诋毁和攻击，最终被关进了精神病院遭遇了数年的非人待遇，这是物理学的不幸，但随着科学的发展人们最终认识到了能量守恒定律的正确性和普遍性，迈尔的晚年苦尽甘来，得到了应有的荣誉和待遇，迈尔本着求真务实的态度，坚持不懈的努力，为物理学的发展做出了很大的贡献，他的科学精神值得学生认真学习。

能量守恒的规律不只是物理课本的一个知识点，作为物理学中三大守恒定律之一，更是一种分析处理问题的思维，也是为人处世的一种观念，它的理论对整个科学技术发展的影响是巨大的，它的思想对整个社会的可持续发展具有指导意义。能量守恒必将发挥其在物理学科核心素养教育中的意义。