重视过程方法 追寻守恒观念

[摘 要]学生学习的过程不仅仅是掌握基本物理知识的过程，更应该是建立物理观念，提升境界，享受快乐的过程。在物理课堂教学过程中，我们要关注知识学习的过程与方法，让学生经历科学探究的过程和对新知识的思维过程，让学生在理解知识的同时，感悟相应的物理思想方法，最终提高学生的物理学科综合能力。文章以《追寻守恒量——能量》一节为例，让学生走进生活，体验能量建立的过程，追寻大自然最基本的守恒定律——能量守恒定律。教师在本节课的教学过程中，应重视过程方法，引导学生追寻守恒观念，使学生能够应用能量的观念鉴赏生活之美。

[关键词]物理观念;过程方法;追寻守恒;能量观念

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2020）20-0030-03

物理学科素养中，有两个基本观念，一是力与运动的观念，二是能量的观念。《追寻守恒量——能量》旨在从最基本的守恒量出发，让学生建立能量观念，并将这种物理观念渗透到整个高中物理学习中。大自然所赋予的守恒是自然界的重要规律，领悟能量在转移与转化过程中动态守恒的思想，理解重力势能和动能的概念，领会寻找守恒量是科学研究中最重要的理念思想。最终让学生走进生活中的物理，用物理知识分析生活中有关机械能转化的问题。但很多教师在上这一节时，不上或者匆匆过去。纵观物理学的整个发展过程，能量的概念几乎是与人类认识能量守恒同步发展起来的。能量的概念为什么这么重要，就是因为它是个守恒量，而守恒关系是大自然中最重要的一类关系。能量进进出出，物质世界变化万千，在不断的转化与转移的过程中能的总量保持不变，这是大自然最基本的守恒定律。这一节课的物理教学是让学生从一个最高的境界，建立守恒的观念，从能量守恒观的高度认识问题。分析探讨物理过程与相关的思想方法，最重要的特征就是让学生亲身体验，并思考感悟，无用之用是为大用，我们觉得《追寻守恒量——能量》是一节好课，教师应让学生重视过程方法，追寻守恒观念。在实际教学中，可以从以下几个方面开展教学。

一、运用理想斜面，开展物理教学，提升学生的科学思维能力

猜想与假设是研究物理学的重要方法，回忆物理学的发展进程，科学家正是利用了这种方法得出了一个又一个的物理规律。学生可回忆在牛顿第一定律学习中的伽利略理想斜面实验，从中领悟猜想与假设的魅力，启迪科学思维。伽利略假设了一个理想实验，如图1所示。

1.定性分析理想斜面实验，启迪学生思维

在学习牛顿第一定律时，有一个理想斜面实验，我们可欣赏小球先生与伽利略的一段对白，通过这些对话可领悟到科学方法的重要性。

伽利略：假设没有摩擦和空气阻力，小球先生，你会爬上怎样的高度呢？

小球：我心中有一个中国梦，会一步一步往上爬，一直上升到梦想中的高度。

伽利略：当我将右边斜面的倾角减小，你还能爬到原有的高度吗？

小球：梦想有多高，我当然就要爬多高，只不过我所走的路程就更长远了。

伽利略：在原来倾角的基础上，如果我将右边斜面的倾角继续减小，你还有什么想法吗？

小球：我已下定决心，必将朝着既定的目标前进，只是我又多走了更远的路程。

伽利略：如果直接把斜面放平，变成水平面，那么你还要继续为自己所定的梦想中的高度而前行吗？

小球：我既然选择了高度，就将一直前行，将孤独的背影留给世界……

在这段对白中，我们感觉到这个滚动的小球非常有灵性，是一个有梦想有追求的小球，为实现自己的目标一直前行。它有一种特殊的记忆，当小球从斜面运动到水平位置时，总是梦想回到原来的高度，当前方是另一个斜面时，小球的愿望很快得以实现，如果一直都是水平面，那么小球就带着一定要回到原来高度的这个梦想一直运动下去。

2.运用数学知识，定量计算探讨，提升学生思维的严谨性

数学是美的，而物理的内涵非常丰富。实际教学中，我们可通过数学精确计算伽利略理想斜面中小球上升的高度。设两个光滑斜面的倾角分别为[θ1]和[θ2]，让小球从第一个斜面高度为h处静止释放，请通过运动学公式计算说明小球到达另一个斜面的高度是相同的。

小球做匀加速运动的加速度为：

[a1=gsin θ1]

在第一个斜面上匀加速运动的距离为：

[s=hsin θ1=v22a1]

上式中的速度v是小球到达斜面底端时的速度。

小球滑上另一个斜面时做匀减速直线运动，其加速度为：

[a2=-gsin θ2]

小球沿着第二个斜面运动的最大高度为[h′]，则小球在第二个斜面上匀减速运动的距离为：

[s=h'sin θ2=0-v22a2]

由以上四式解得，小球到达另一个斜面的高度[h′=h]。

因此，如果两个斜面都是光滑的，当小球运动到另一斜面的相同高度时，速度为零，感觉小球先生记得自己的起始高度，然后一上一下重复前面的运动。通过上面的观察、分析、推理，从感性认识上升到理性认识，实现认识上的飞跃。

3.关注物理过程，追寻能量守恒

问题1.小球在斜面上運动的过程中是否存在一个不变的量或者是守恒量？这个量可能是什么呢？

回答1：运动过程中小球的质量保持不变。（对，质量不变，但质量是小球本身的属性，不运动，质量也是不变的，所以与运动过程和状态无关，不能反映运动过程规律）

回答2：在斜面上运动的过程中，高度不变或者是说高度守恒。（我们只知道小球在斜面上运动的整个过程中，初、末两个状态的高度是不变的，而在小球的运动过程中，高度是在不断变化的，根本不能说明“高度守恒”）

回答3：运动过程中的总能量守恒。（伽利略等物理学家当时在研究时还没有建立“能量”这个概念）

回答4：小球运动的过程中，高度和速度都是在不断变化的，当小球沿斜面向下运动时高度减小，而速度就增大;反之，小球沿斜面向上运动时高度增大，速度就减小。那么我们可以设想“高度与速度”加起来可能守恒。但是，高度与速度的单位不一样，不属于同一类物理量，是不可以直接相加的，其大小相加是没有任何物理意义的。

回答5：在斜面上运动时高度和速度是不能直接相加的，但是我们可以找一个与高度有关的量[f（h）]和一个与速度有关的量[f（v）]加起來是守恒的，即[f（h）+f（v）]可能守恒。（这个想法很有道理，是个很有创意的猜想）

问题2.我们要找两个函数，一个是与高度有关的量[f（h）]，另一个是与速度有关的量[f（v）]，它们必定要有什么特征？

回答1：这两个量的量纲必须相同，也就是说同一类物理量具有相同的单位。

回答2：小球在运动过程中某个物理量要守恒（不变），而守恒（不变）就意味着在两个状态存在某种等式。如果存在这种等式，那这个等式的两边所对应的“量”必然是单位相同的，是同一类“物理量”。

问题3.我们已学习了很多运动学公式，在这些公式中是否有涉及位移x与速度v关系的等式？

回答1：有，如果小球从静止开始在斜面上运动，有[v2=2 gsin α?s=2gh]，从而可以得出：[v2=2gh]或 [v22=gh]。

回答2：进一步猜想， 跟高度有关的量可能是2gh或gh，跟速度有关的量可能是v2或[v22]，那么对一定的小球v2与2gh之和是守恒的，或[v22+gh]可能是守恒的。

问题4.如果伽利略理想斜面实验中，小球不是沿斜面运动，而是沿曲面运动，小球能否到达相同的高度？[v22+gh]是否守恒的？理由是什么？

回答1：可以把曲面无限分割，用微元法分析;也可以用单摆来验证。同样在运动过程中有一个量是守恒、不变的。科学家把这个守恒的量叫作能量或能。

问题5.物体在运动过程中的能量是否只跟[v22+gh]有关呢？如果伽利略理想斜面实验中，用不同的小球，例如一次用小的乒乓球，一次用大的铅球，你认为两次运动的能量会相同吗？

回答1：不会相同。（可以启发学生思考：让乒乓球从天花板掉下，你可以用头顶一下;让铅球从天花板掉下，你敢用头顶吗？）可见，这个守恒量（能量）还跟物体的质量也有关，质量越大，守恒量（能量）也越大。

回答2： 小球可沿斜面运动，也可以沿曲面运动，一个与质量有关、跟[v2]与[2gh]之和或[v22与gh]之和有关的量（能量）在小球运动过程中是守恒的。（这个猜想很合理，具体的定量研究，我们以后有机会再研究）

回答3：物理学上我们把其中跟高度h有关的能量叫重力势能，与速度v有关的能量叫动能。当释放小球后，小球沿斜面下降，位置降低，高度不断减小，小球的势能在不断减小，而小球的速度增大，小球的动能增大。当小球到达斜面底部时，小球的重力势能最小，速度达到最大，动能达到了最大，小球在运动过程中，动能和重力势能相互转化。

问题6.在伽利略理想斜面实验中如果存在阻力的情况下，能量还守恒吗？

回答1：不守恒。动能与重力势能之和叫作机械能，由于有阻力作用，动能与势能之和是不守恒的，也就是机械能不守恒，因为机械能还要转化为克服阻力做功而产生的内能，但是总的能量还是守恒的。

问题7.能量的存在形式很多，你知道有哪些能量的形式？

回答1：机械能、电能、热能、化学能、电磁能、光能、原子能等。同种形式的能可以相互转移，不同形式的能之间也是可以相互转化的。诺贝尔物理学奖获得者费恩曼曾说过：“有这样一个事实，如果你愿意，也可以说一条定律，支配着至今所知的一切自然现象……这条定律称作能量守恒定律。它指出有某一个量，我们把它称为能量，在自然界经历的多种多样的变化中它不变化，那是一个最抽象的概念……”

二、引导学生走进生活，体会能量守恒观念

事物在发生、变化、发展的过程中，有些东西或某些量是保持不变的，这种现象叫作守恒，能量就是这样的一个守恒量，能量不会凭空消失，也不会无中生有，但会以不同的形式存在，可以转化为另一形式存在。守恒现象（包括能量守恒）在社会、生活和自然界中普遍存在。

实例：

（1）数学中的解方程：[x+3=10]，则x = ？     （答案：x=7）

（2）现在有一升橙汁，要装满50毫升的杯子，请问能装几杯？          （答案：20杯）

（3）完成铁在氧气中燃烧的化学反应方程式：3Fe + （） [点燃] Fe3O4。           （答案：2O2）

（4）用丝绸摩擦过的玻璃棒带什么电荷？如果玻璃棒带了+2库仑的电荷，那么丝绸带多少电荷？                       （答案： 正电荷 -2库仑）

（5）在一个盛满水的容器内放入一块冰。在冰的融化过程中，容器内的水会溢出吗？ （答案：不 会）

（6） 在一个大热天，小强和小明待在小强家里玩游戏，两人热得满头大汗，可小强家里没有空调，怎么办呢？最后还是小明反应快，他对小强说：“你家不是有冰箱吗，咱们把冰箱的门开着，不就可以降温了吗！”于是，他们把门窗关好，把冰箱门开着，他们能达到预期的效果吗？（利用生活事实激发学生的好奇心，用能量守恒定律理解生活中的物理现象）

这六个例子分别运用了数的守恒、体积的守恒、原子的守恒、电荷的守恒和质量的守恒，最终上升到能量守恒定律，说明守恒现象是普遍存在的，它指导我们生活，伴随我们成长。在第六个例子中，把门窗关好，把冰箱门开着，把整个房间作为研究系统，消耗了电能，这个电能转化为整个房间的热能，起不到制冷的效果，最终导致房间的温度是升高的。著名心理学家皮亚杰对人的成长做过详细的追踪调查，发现儿童对于数的守恒，大概在5到6岁之间形成。之后是重量守恒（9～10岁）、体积守恒（11～12岁）。到了初中，化学反应上的原子守恒等依次建立起来，到了高中呢？应当会有更深层次认识了，学生要从更高境界来认知能量守恒定律。在物理学领域中，很多著名的物理学家也正是利用守恒思想找到了许多规律。

三、能量守恒，至高境界

物理观念是高中物理学科核心素养的重要方面，学生们在学习物理知识，走进生活的过程中，时刻都沐浴在物理观念的教育之中。教师应该认识到物理观念的重要意义，认识到学生读书最宝贵的收益恰恰是我们在今天称之为物理学科素养的东西。在落实物理学科素养目标的过程中，知识不仅是传统意义上的课程内容，它还是知识学习内化为潜质、潜质外化为人的外显行为的“介质”。《追寻守恒量——能量》的教学，应该更加关注过程与方法，关注能量守恒观念形成的各个教学环节。通过这节课的教学，让学生了解了科学的研究方法，体验了猜想与假设的重要意义和科学的思维过程，促使学生形成守恒的观念。重视过程方法，追寻守恒观念，让学生认识到能量守恒思想对人类社会发展的影响，为他们形成科学的世界观和科学价值观打下坚实的基础。在生产与生活，在工作和科學探究的实践过程中，我们也要运用“能量守恒”这一最基本的源于大自然的守恒规律，用科学知识、科学思想、科学方法和科学精神战胜伪科学。广大物理教师有责任让每一个学生建立能量守恒的观念，并能运用这个观念观察分析自然现象和社会现象，提高学生的物理学科素养。

[   参   考   文   献   ]

[1]  徐秀珍. “追寻守恒量”教学设计[J].物理通报，2012（3）：59-61.

[2]  陶汉斌. 从“物理观念”的视角赏析选考物理试题[J].中学教学参考，2018（8）：36-40.

（责任编辑 易志毅）