初中物理能量观念内涵的深度分析

【摘要】阐述了初中物理中由能量概念向能量观念转变的过程，对能量观念的定义和表现进行了分析。基于初中物理课程标准，将能量观念分解为能量本质观、能量来源观、能量形式观、能量传递及转化观、能量守恒观、能量耗散观和能量利用观七个子观念，对每个子观念的内涵进行了详细的讨论。

【关键词】核心素养  能量观念  初中物理

【基金项目】云南省文山州教育科学“十三五”规划重点课题（文教体发[2020]12号）;文山学院教学改革研究项目（WYZL 200502）。

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）07-0170-03

能量观念是中学物理核心素养之物理观念的重要组成部分[1]。在物理观念中，能量观念是内涵最丰富、应用最广也是最基本的观念，同时也是较难形成的一种观念。针对高中物理能量观念的研究，其理论和体系已经趋于成熟[2-4]。但对于初中物理，由于缺乏基于核心素养的国家课程标准，关于初中物理核心素养问题的研究还处于探索阶段，已有的研究也主要是以教学设计案例为主，不管是理论层面还是指标体系，都还有很多问题没有解决。关于初中物理中能量观念的内涵问题，目前还没有标准化的答案，对于学生的认知水平也没有清晰权威的描述，导致教师在教学中难以落实核心素养的要求。基于以上背景，根据最新版的初中物理课程标准，本文对初中物理能量观念的内涵进行详细研究，从七个层面分析初中物理能量观念的支撑体系和内容，为教师在初中物理教学中落实物理核心素养的要求打好基础。

1.从能量概念到能量观念

与其他的物理概念不同，能量是一个极其抽象且难以用精确的物理语言进行定义的概念。对能量的定义，更多的是从其表征的物理意义来进行说明，能量是物质运动转换的量度，表征的是物理系统做功本领的强弱。从微观到宏观再到宇观，从低速物体到高速物体，从经典物理到现代物理，能量都贯穿始终。能量也是少有的能横跨多个自然科学学科的概念，在化学和生物等学科中也都离不开能量的概念。此外，能量也是最让人费解的概念，生活中，常常用“正能量”和“负能量”来形容一个人，能量的概念与人的精神状态和心理效应也联系在了一起。

能量，是初中物理教学的三大主题之一，然而学生根本不知道如何定义能量，对书中能量的描述也较难理解，但学生能接触到机械能、电能、风能等多种形式的能量，而且自然界中的能量不是孤立的，不同的能量在特定的条件下可以相互转化，能量的计算也是经常学习的主题。能量的概念与功联系在一起，功是力与物体在力的方向上通过路程的乘积，而对力的概念辨析又回到了许多物理问题研究的起点。这些概念或理论自己构成了一个纯人工的、巧妙的圈套，层层嵌套，相互关联，对现实生活现象准确无误地描述和计算成了它们应当继续发展下去的理由[5]。最终，物理学和生活中的很多问题，都可以用能量守恒定律来统一描述，并得出了质量就是能量的结论，在这个过程中，能量的概念也随之上升到了能量观念层次。

可以借鉴物理观念的定义[1]，将能量观念定义为对于物理学中能量相关问题的基本认识，是能量相关概念及规律等在头脑中的提炼与升华，是关于能量的研究对象、过程、方法和结果在学生头脑中整体的、概括的反映。初中物理的能量观念可以从能量的本质、能量的来源、能量的形式、能量的传递及转化、能量守恒、能量的耗散和能量的利用七个方面进行构建。

2.能量觀念的内涵

2.1 能量本质观

能量本质观需要回答能量是什么的问题。人教版初中物理教材中对能量的定义：物体能够对外做功，就说它具有能量。严格来说，这并不是能量的定义，也没有对能量的本质进行说明和解释，它只是对能量在力学方面的特征进行了描述，只是在力学层面说明了判断物体是否具有能量的标准。这种标准即使在初中阶段也是不全面的，因为除了做功，能量还可以光的辐射和热的传递等形式体现。在初中阶段，对能量的定义，应理解为对机械能的定义，这是对能量的初步定义。从另一个角度看，能量还可以理解为一种趋势，一种可以使物质发生某种特定变化的趋势，人们在希望这种特定变化发生时，就可以利用能量来达到目的。

关于对能量本质的认识，应该在学完所有初中物理知识后引导学生进行探讨：（1）能量是表征物理系统做功本领的量度，但是有能量不一定在做功，能量大小与做功多少没有必然的联系，“本领”仅代表具有做功的能力，不代表正在或者必须要发生，做功是能量变化的量度，能量是状态量，做功是过程量。物体的运动和变化伴随着能量的变化，可以从能量的角度去研究物体运动和变化的问题。（2）能量通过机械能引入，但其内涵和范围不仅仅限于做功，能量还与热量和内能相联系，而且热量与内能的联系如同做功与机械能之间的关系一样。此外，能量还可以携带信息。（3）能量不可以被直接测量，是一个只能间接观测的物理量，没有方向，在初中阶段，能量在数值上是大于零的。（4）初中物理中的势能和内能等内容已经蕴涵了“系统”的思想，应引导学生思考哪些能量属于系统，哪些能量既可以描述个体也可以描述系统，从而升华思维。

2.2能量来源观

能量来源观是关于能量的出处以及获取的理解及看法，需要从两个层面构建。一是懂得地球就是一个大的能量系统，理解地球上的能量绝大部分都直接或间接来自于太阳，认同太阳就是能量之源的理念，知道能量是维持生命的根本保证。二是知道可以通过物质能量和物质释放能量来获取能量，物质能量指物质的动能和势能，物质释放能量指物质通过化学或者物理反应时释放的能量。

关于能量的来源，难点在于磁场的能量来源问题。虽然在初中阶段不要求掌握，但初中物理中强调了磁场对电流及磁体会产生力的作用，并涉及到电磁感应现象以及电磁波的概念，抖音上还出现了利用磁场制作出类似于“永动机”的科学装置，难免会让学生在心里产生对磁场能量来源的思考。对于这个问题，教师可以结合磁铁的形成过程，运用能量的转化观念来进行解释。

2.3能量形式观

能量形式观是关于能量的形式种类以及内涵的理解及看法。要构建起能量形式观，首先要理解“能量形式”这个术语的引入背景：关于能量的概念，至今都没有一个非常清晰的定义，从物理学史上看，科学家们发现能量总是与物质和物体同时同地出现，并且可以用表示物质和物体状态特征的物理量所构成的式子（如cmΔT、mgh等）来计算能量的大小与多少，这些物质和物体可以称为能量的载体，因此，引入“能量形式”这个科学术语来描述能量有不同的载体，并启用了诸如动能、弹性势能、内能、电能、磁能、核能、风能等具体名称来描述能量的形式[6]。

从另一个层面分析，能量之所以有多种形式，是因为能量是物质运动转换的量度。运动的形式是多种多样的，可以对应着不同的能量形式。在机械运动中，能量表现为机械能;在热运动中，能量表现为内能。宏观物体的机械运动对应着动能;分子运动对应着势能;原子运动对应着化学能;带电粒子的运动对应着电能。若运动形式相同，不同物体的运动特征可以用某些相同的物理量来描述;如果运动形式不同，不同物体之间的运动特性，能相互比较和描述的物理量就只有能量，能量是一切运动着的物体共同具有的属性。

2.4能量传递及转化观

能量传递及转化观是对同类型能量在物质中的传递及不同形式能量之间相互转化的总体认识。

对于同一类型的能量在物质中的传递问题，应该清楚能量既可以在同一种物质中也可以在不同形态的物质之间传递。声音的传播过程也是能量的传递过程，声能的传递需要介质，真空中不能传递声能，声音可以被反射，意味着能量也可以被反射;光的传播过程也是能量的传递过程，光能量的传播可以没有介质，光能量能被反射、折射和散射;热量传递有方向性，热量只能自发地从高温物体向低温物体传递，不能相反，“导热性”和“比热容”是用于描述热量传递的物理量;电能、磁场中的能量也伴随着电流和磁场的传播同步进行着传递。需要注意的是，能量的传递过程，可能也是信息的传递过程，能量可以携带信息，比如光通信、无线电通信。

关于不同形式能量之间相互转化的问题，需要从两个方面进行理解。一是不同形式的能量之间为什么可以转化？这个问题可以从能量的形式观和本质中找到答案。能量转化，其实是人类在定义了能量的各种形式之后伴随产生的一个概念，虽然有多种形式的能量，但能量的本质是一致的，既然本质都是一样的，能量转化也就只是与人为定义的能量形式相对应罢了。在物理学中，有这样的共识，即物理量的每一种或每一次变化，物体都将产生相应的后续反应或者变化的趋势，这使得能量在促使一种变化发生时，必然会导致另一种可能的变化趋势的产生。能量的转化就是耗能过程引发了新的变化趋势，从能量的本质观来看，这种趋势就是新的能量。二是不同形式的能量之间转化时是否有方向或者条件？答案是肯定的，能量的转化是有方向的，其他形式的能量可以自发地转化为内能，而内能不可能无条件地转化为其他形式的能量。

能量转化问题的核心，是理解“功是能量转化的量度”的内涵：力做了多少功，就有相应的某种形式的能量转化为等量的其他形式的能量;不同的力所做的功，量度的是不同形式的能量变化。

2.5 能量守恒观

能量守恒观是对能量在传递和转化过程中所遵行规律的理解与认识。能量守恒观的构建，需要从六个方面进行提升：一是要清楚“从一种形式转化为其他形式”是指所有形式的能量，是泛指;二是“在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变”并不限制是哪几种形式的能量;三是能量守恒是有条件的，即所有形式能量之间是可以相互转换的，且转换量一定相等，此外，各种不同形式的能可以通过做功来转化，能转化的多少通过功来量度;四是要理解“总能量守恒”与“能量守恒定律”是两个不同的概念，由“能量守恒定律”可以推出“总能量守恒”的结论，但从“总能量守恒”是不能推出“能量守恒定律”这一结论的;五是要理解初中物理中“能量守恒”、“质量守恒”和“电荷守恒”三个概念的思想是相似的，但本质却有不同;六是能量守恒定律不是数学推导出的结果，而是实验结果。

2.6能量耗散观

能量耗散观是关于能量的消耗及损失的理解与看法。初中阶段的能量耗散观比较浅显，可以表述为：人类时刻都在利用和消耗着地球上各种形式的能量，在能量的转化和传递过程中，有部分能量不能被有效地利用而损失掉（耗散），由于宇宙中总能量不变，可供人类利用的能量资源越来越少。耗散的原因主要是摩擦力做功，将机械能或其他形式的能转化成了内能，或者是通过向周围低温物体自发散热。需要强调的是，现实环境中，能量耗散，只能降低，但绝对不可能避免，因为任何系统都不可能完全不受到摩擦力的作用，也不可能绝对绝热。

2.7能量利用观

能量利用观是关于能量使用以及能源开发的总体认识。初中物理的能量利用观是基于上述六种能量子观念而形成的，可以从以下几个方面构建：一是树立起节约能源的意识，在能源的利用过程中，要尽量选择能量转化效率高的能源或者方式，采取手段降低能量的损耗也是节约能源的途径;二是知道目前的能源使用仍然以不可再生资源为主，但对于可再生资源的开发和利用技术正在快速发展，在生活中已经占据了一定比例;三是知道在能源利用的过程中，会对环境产生污染，清洁能源的开发和利用是今后的重点;四是知道人类未来的能源储備并不悲观，随着技术的进步，能源危机不一定会出现，海洋是人类能源资源最大的宝库，将海水直接转化为能量的研究已取得重大进展。

3.结语

能量观念是初中物理观念构建的重点与难点，教师必须超越对具体知识的教学，首先从本文分析的七个层面构建起基于教师主体的能量观念，打通物理知识与能量核心素养之间的关系，才能在教学中以知识为载体，引导学生通过高水平的思维和学习活动，学会从能量的视角来分析相关的物理现象与问题，构建起以学生为主体的能量观念。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]梁佳欣， 张静.物理学科核心素养的研究现状及发展趋势[J].物理教师，2019，40（8）：71-75.

[3]伍苗苗，张军朋.高中物理能量观念的内涵、构成与认知层次[J].中学物理教学参考，2017，46（5）：1-4.

[4]李春密.核心素养导向的高中物理教学设计[M].北京：北京师范大学出版社，2019.

[5]周后升.高中学生物理学科核心素养发展研究及教学实践[M].广州：广东高等教育出版社，2018.

[6]张三慧.“能量形式”概念是错误的吗？[J].物理与工程，2011，21（2）：7-9.

作者简介：

胡家光（1980年-），男，副教授，主要从事物理师范生的培养策略研究。