显化科学方法视域下的物理概念构建的教学研究

韩兴乾 喻梅琴

摘   要：重力势能的概念及其表达式的建立是高中生物理学科学习中的一个难点。本文依据“功是能量转化的量度”这一功能关系，设计了一个可定量推算重力势能大小的理想实验模型，运用理想实验法帮助学生构建重力势能概念并推导其表达式，突破教学难点，降低学生对该概念的理解和认知的难度，使学生对重力势能的内涵外延理解更加科学、准确、清晰明了，从而构建科学的能量观念。

关键词：重力势能;物理观念;理想实验法;构建

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）3-0009-4

普通高中课程的主要任务就是凝练核心素养，推动落实“立德树人”。高中物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个要素构成，其中“物理观念”又是其他物理核心素养的载体和基础。“物理观念”主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素。高中物理教学中通过物理观念的构建，能够发展学生的物理思维，培养学生的科学探究能力，树立正确的科学态度和责任观。“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识;是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华;是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。

能量是物理学中重要的物理概念之一，但对能量概念的准确表述和构建却是物理教学中最抽象、最困难的。在机械能中，重力势能又是最难界定和表述的概念。作为对能量概念认知比较模糊的中学生，对其接触的第一个具体能量——重力势能的理解，有着巨大的疑难和困惑。本文以高中物理人教版必修2中“重力势能”教学为例，从“立德树人”为出发点，践行核心素养为主的教育目标，渗透物理科学方法教育，引导学生采用理想实验法构建重力势能的概念，推导其表达式，为学生进一步学习和构建其他能量概念奠定坚实的基础。

1    教材的分析

1.1    核心素养下教学目标的确定

重力势能是高中物理一个非常重要的概念，是学习机械能及其守恒定律的基础。准确透彻地理解掌握重力势能，将会为学习机械能、电势能等内容奠定坚实的基础。新版课程标准对重力势能这节课的要求是： 理解重力势能，知道重力势能的变化与重力做功的关系。由此可知，本节课在核心素养下的教学目标是：（1）通过分析与探究，构建重力势能的概念，推导出其定义式，会运用定义式进行相关计算。（2）通过实际事例的分析总结，理解重力势能的概念，知道重力势能具有相对性，是物体和地球系统共有的。（3）通过分析、对比，认识重力做功的特点，理解重力做功与重力势能的变化关系，培养学生分割求和的微积分方法和极限思想。

1.2    教材的呈现方式分析

由人民教育出版社编辑出版的高中物理必修2中的《重力势能》一节内容，在构建重力势能的概念和导出重力势能表达式这一环节中有些含糊其词，缺乏严密的逻辑推理论证，这样的处理给教师的教和学生的学都带来了巨大的困惑。

在高中物理必修2的第七章《机械能守恒定律》的第一节《追寻守恒量》中首次出现的关于重力势能的表述是：“当伽利略把小球从桌面提高到起始点的高度时，他赋予小球一种形式的能量，我们把它称为势能。相互作用的物体凭借其位置而具有的能量叫做势能。”这是教材对重力势能和势能概念较为直白的表述，但对没有任何势能认知体验的中学生而言，能凭借以上的表述准确地理解（重力）势能的概念吗？通过对学生的调研发现答案是否定的。

在第四节《重力势能》中，教材首先研究了重力做功的特点，似乎是为重力势能的构建打基础，但之后的过渡连接过于简略生硬。原文的相关内容为：“正如前所述，物体由于被举高而具有重力势能，它的质量越大、所处位置越高，重力势能就越大，重力势能的表达式应该符合这些特征;看起来，物体所受的重力mg与它所处位置的高度h的乘积是一个具有特殊意义的物理量。mgh这个物理量的特殊意义在于它一方面与重力做的功密切相关，另一方面它随着高度的增加而增加、随着质量的增加而增加，恰与势能的基本特征一致。因此，我们把物理量mgh叫做物体的重力势能。”这是一段不能自圆其说的论述，既没有说明什么是重力势能，又没有讲清楚为什么mgh就是重力势能的表达式，使用了机械式地灌输教学方式。对于初学势能的学生来说，就只能被动接受，机械记忆，生搬硬套，根本不能透彻地理解重力势能的本质、特征以及内涵外延，也就不能形成重力势能的基本物理观念。

2    通过比较分析，探究概念构建途径

怎样把抽象的重力势能用学生熟悉的思想方法“显现”并“量度”出来呢？最初的设想是把重力势能转化成相应的其他能量测算，比如动能、弹性势能等。但动能和弹性势能是本节课以后的学习内容，学生还没有掌握，看来只能寻找其他有效途径了。对于这个问题的破解，笔者认为应从功能关系入手，这既照顾到高一学生的学情基础，也符合物理学对能量问题研究的一贯策略。通过下面的流程，希望能克服以上的疑难困惑。

物体能对外做功—推测物体具有某种能量—物体对外做了多少功—物体的能量就改变了多少—推测物体具有多少某种能量。

通过多年的教学探讨和反思，笔者发现，用理想实验法来进行重力势能的构建及其表达式的推导，更加贴近学生的生活实际，符合学生的认知水平，使学生对重力势能的内涵外延理解更加清晰明了，大大降低了学生对该概念的认知难度。

3    创造理想实验模型，建构重力势能概念

3.1    创建理想情境，确立物理模型

從功能关系来说，一个物体能够对外做功，它就具有了某种能量，功是能量转化的量度。一个物体对外做了多少功，说明它的某种能量消耗了多少，即该种能量就相应地减少了多少。这样我们就可以设想一个物理情境，通过研究重物下落过程对外所做功的多少，来定量地研究影响重力势能的因素，进而确定重力势能和下落高度、重力大小的关系。

为此，构造如图1所示的理想实验装置，A为质量可以改变的物块，B为重物，P为可上下移动的水平挡板，重物B用不可伸长的细绳通过定滑轮与物块A连接，调节滑轮的高度使滑轮和物块A之间的细绳与水平面平行。忽略细绳的质量和细绳与滑轮之间的摩擦，通过调节物块A的重力改变其对水平面的压力，使得物块A在细绳的拉动下刚好能够匀速移动，即重物B也是匀速下落的。

之所以是理想实验，是因为一方面对实验器材做了较为严格的理想化要求;另一方面，为了使得重物B的势能变化全部用来对物块A做功，就得保持重物B的动能不变，那么重物B和物块A必须始终保持匀速运动，这不是实际实验所能实现的。

在重物B下落h的过程中，物块A也向前移动了h的水平位移，由此可见，重物B下落过程中通过细绳对物块A做了功，则重物B一定消耗了某种能量，即位于原高度处的重物B就具有与之对应的能量。

3.2    实施控制变量，探讨影响重力做功的因素

根据功能关系，重物B对外做了多少功，则自身的能量就减少了多少。

由于重物B通过细绳拉动物块A，使物块A在水平面上刚好能够匀速移动，所以此过程中绳子上的拉力F等于重物B的重力G。考虑到物块A移动的位移s等于重物B下落的高度h，则重物B下落至水平挡板P的过程中细绳对物块A做的功为Fs=Gh。控制重物B下落高度h不变，改变重物B的重力，同时调节物块A的质量使物块A总能沿水平面匀速运动，探究重物B通过绳子上的拉力对物块A做功的多少，如表1。

由表格数据可知，保持下落高度h不变，重物B下落过程中减少的某种能量与其重力成正比。

然后控制重物重量G不变，同时调节物块A的质量使物块A总能沿水平面匀速运动，通过改变P的位置改变重物下落高度h，探究h与绳子上的拉力对物块A做功多少的关系，如表2。

由表格數据可知，保持重物重量G不变，重物B下落过程中减少的某种能量与其下落高度h成正比。

3.3    通过归纳总结，构建重力势能

通过以上的研究可知，重物B匀速下落过程对物块A所做的功，等于重物B所受重力（G）与下落高度（h）的乘积（Gh）。即此过程重物B某种能量的减少量等于物体所受重力（G）与下落高度（h）的乘积（Gh）。可见，这是一个与物体所受重力和高度（地势）相关的能量，物理上把这个能量叫做重力势能。

3.4    运用逻辑推理，探寻重力势能的表达式

水平挡板P的位置可以假定是重力势能为零的位置，叫做零势能参考面。那么，物体在任意位置的重力势能（EP）就等于物体所受重力（G）与其所处位置相对参考面的高度（h）的乘积（Gh），即EP=Gh=mgh。

于是，我们就可以得出以下结论：

（1）位于高处的重物由于具有重力势能而能够对外做功;

（2）重力势能的大小由其所受重力的大小和所处位置相对参考面的高度来共同决定，同时可得出：物体的重力势能与其重力成正比，与其所处位置相对参考面的高度成正比。

重力势能的表达式：Ep=Kmgh

当上式中各物理量取国际单位K=1时，则有Ep=mgh。

3.5    挖掘内涵外延，构建全方位的重力势能观

结合以上讨论，我们也可以得到：

（1）重力势能与重力做功的关系：从位置A到位置B的过程中重力所做的功与重力势能变化量的关系为：

WAB=mghAB=-（mghB-mghA）=-ΔEp

所以，重力做功就等于重力势能的变化量：重力做正功，重力势能减小;重力做负功，重力势能增加;重力做了多少功，重力势能就改变了多少。

（2）重力势能具有相对性：在上面的理想实验中，对处于某一位置的重物B，改变挡板P的位置，其下落到P的过程中重力做功就会改变，重力势能就会不同。可见，物体的重力势能与参考面（零势面）的选择有关。同一物体位于同一位置，取不同的参考面，重力势能的值不同，即重力势能具有相对性。因此，谈论物体的重力势能的大小，必须先选定参考面。比较（下转第14页）（上接第11页）不同物体间的重力势能，必须选取同一参考面。

（3）重力势能的标量性：重力势能遵循代数运算，因而是标量。

（4）重力势能的正负：物体位于参考面上方，具有的重力势能为正值;位于参考面下方，具有的重力势能为负值。重力势能的正、负反映重力势能的大小和物体相对参考面的位置。

（5）重力势能是系统能：重力势能是由于物体与地球间的相互吸引而引起的，如果没有地球对物体的吸引，就不存在重力势能，所以重力势能是物体和地球构成的系统共同具有的，物体高度的改变其实就是物体与地球的相对位置的改变。可以理解为，如果以物体为参照物，让地球远离或靠近物体，也会储存或释放重力势能。

4    结  语

通过前面的理想实验和逻辑推理过程，不但顺利地构建了重力势能的概念，更为重要的是理顺了重力势能、重力势能变化量和重力做功的关系，并且有理有据地推导出了重力势能与物体所受重力（G）、与其所处位置相对参考面的高度（h）的定量关系，科学合理地得到了重力势能的表达式，使教师的教和学生的学有了科学合理的依据，使概念的建立、表达式的产生都变得水到渠成，顺理成章。这样构建重力势能概念的过程和方法，可以用来类比建立电势能的概念和理解电势能的特点，为学生学习电势能奠定了很好的思维方法。

通过理想实验法建立重力势能概念，推导重力势能表达式的过程，引导学生建立了正确的能量观念，培养了运用科学方法解决问题的良好科学思维，提升了科学探究能力，树立了严谨治学的科学态度，全方位培养和提升了学生的科学素养。

参考文献：

[1]张大昌.普通高中物理课程标准实验教科书物理2·必修（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2010：63-67.

[2]张大昌.普通高中物理课程标准实验教科书物理2·必修教师用书（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2010：100-105，108-111.

[3]张宪魁，秦晓文.物理科学方法教育理论与实践[M].北京：北京师范大学出版社，2015.

（栏目编辑    赵保钢）