“机械能守恒定律”教学探讨

尹永忠

(贵州省遵义市第五十四中学,贵州 遵义 563000)

机械能守恒定律是物理学中的重要规律,也是高考考查的重点,对学生学习物理所需的关键能力的培养具有重要价值。然而,经过长期的教学观察与反思,笔者认为该定律在教学实践上依旧存在一些较为突出的问题,对相关问题探讨如下。

1 机械能对机械能守恒定律的意义

《机械能守恒定律》一章的教材编排顺序是:功和功率—重力势能—动能定理—机械能守恒定律—验证机械能守恒定律,这样的编排逻辑清晰,重点突出,有利于教师的教和学生的学。教科版高中物理教材明确指出:“重力势能、弹性势能与动能都是机械运动中的能量形式,统称为机械能。”[1]在机械能守恒定律的新课教学中,笔者发现很多教师绕开“追寻守恒量”的铺垫,直接通过生活实例、实验演示,得出结论:动能和势能可以相互转化,接着说明机械能包括重力势能、弹性势能和动能。机械能概念对机械能守恒定律到底意味着什么?既然已经有了动能、重力势能和弹性势能的概念,为什么还要定义机械能呢?是否可以越过机械能概念建立机械能守恒定律?

通过查阅文献发现,有研究者对此表达了类似的疑问:既然我们已经定义了三种不同形式的能量:动能、重力势能和弹性势能,为什么还要把它们统称为机械能?[2]有的作者运用科学概念转变理论,说明建立新概念是基于原有概念不能解决新问题的不得已行为,要通过教学引起学生对旧概念的不满,最后从物理学史的角度厘清从守恒角度分析能量变化是有历史依据的,研究机械能守恒定律应该以动能和势能的转化为重点,从这一点可以看出建构机械能概念是为了突出教学重点。

其实,对于为什么要引入机械能概念,教科版高中物理教材在本章的首页利用一段话来说明:“在长期的科学实践中,人们发现了不同形式的能量可以相互转化,并且能量的转化与功的概念紧密相连。这是因为,如果一个过程中存在做功的现象,就必然存在能量变化的现象,功的计算能够为能量的定量表达及能量的变化提供分析的基础。”[1]这也就是说,研究机械能的守恒要从做功入手,因为做功可以引起能量的变化,至于在何种能量形式间转化,还要具体分析是何种力做什么样的功。如果单纯分析动能变化只会涉及合外力做功,这个合外力可能是保守力,也可能是非保守力,那么能量就可能在其他形式的能和动能之间相互转化,而不仅仅局限于在势能和动能之间转化,从单纯的动能变化无法追寻守恒量。同样,也无法单纯根据势能的变化追寻守恒量。当进入还没有涉足的领域时,之前发展的应对其他问题的概念常常是不适用的,甚至可能造成妨碍,此时需要创造新的概念来合理地表述新的现象。[3]动能和势能的此消彼长在只有重力或系统内部弹力做功时是客观事实,因此有必要建构新的概念——机械能来描述这种现象,并寻找其中的变化规律,它也将成为研究守恒规律的基础和前提。

2 机械能守恒定律的建立逻辑

物理规律反映物理概念之间内在的必然联系。机械能守恒定律是高中物理教学中的重要规律,对学生能力的培养意义重大。那么,教学中机械能守恒定律到底应该以怎样的方式呈现?其建立逻辑是什么?

通常的教学方式有两种:概念—规律式和情境—规律式。前一种方式体现的是“借理入理”的教学思路,学生需要从动能和势能可以相互转化的事实中找到此消彼长中的守恒量,对学生思维能力的要求较高,教师经常会提问:动能是什么?势能是什么?它们之间的关系如何?学生也会回答动能和势能的概念,得出结论:动能和势能可以相互转化,紧接着教师举一两个例子加以说明,随后进入规律应用环节。这样的教学方式往往导致学生的物理成绩出现两极分化。后一种教学方式突出情境在规律建立中的作用,但问题也同样明显。从情境出发学生一定能顺利地得到规律吗?概念是思维的材料,脱离概念去分析情境,思维活动便失去了支撑点。恰当的情境有利于促进学习,但是概念也同样重要。笔者认为,图1所示的教学逻辑更有利于规律的建立。

图1

首先,动能和重力势能可以相互转化,动能和弹性势能也可相互转化,这是基本事实。教师要想方设法使学生理解机械能概念建构的必要性,基于事实完成机械能概念的教学。其次,创设实验情境,在实验情境中寻找动能和势能在变化中的特点。比如,教师给学生呈现物体自由下落的情景,给出具体运动数据,让学生准确辨别动能、重力势能,根据重力做功分析动能、重力势能在运动过程中的变化情况,寻找其中的规律。在实验情境中学生进一步深化对概念的认识,积极寻找变化中的守恒量。最后,根据情境分析,得出机械能守恒的条件和定律内容,通过例题培养学生的思维能力。

3 是探究还是验证?

物理教学中的科学探究可分为理论探究和实验探究,理论探究是指学生在教师的指导下从已知的物理概念、规律出发探索未知物理规律或事实的过程;实验探究是指学生在教师的指导下有根据地提出问题和猜想,设计实验方案验证猜想或证明所提出的问题,最后进行检验、评估与交流的过程。验证则是在已知研究结论的前提下对其进行再确证的过程。

机械能守恒定律是能量守恒定律的特殊表现形式,是能量观念培养的绝佳素材,因此教材对机械能守恒定律分别安排了理论和实验教学,这样的编排方式在教材编写逻辑上并无问题。在高中物理教学中,应注重科学探究,尤其应注重实验探究,这对培养学生的探究能力和科学态度具有重要作用。在物理实验教学中,应发掘实验在培养学生发现和提出问题能力方面的教育价值,要避免让学生按教师或教材预设的步骤进行“假探究”。依据课标与教材,机械能守恒定律的教学应如何设计?通常物理规律的教学会按照科学探究的方式展开,但课标却在必修2安排了“验证机械能守恒定律”这个学生必做实验,究竟是探究还是验证?有教师存在以上困惑。课标之所以安排验证性实验,其目的是在规律教学中突出理论探究的价值,先升华学生的守恒观、能量观,促进学生科学思维的提升,再让认识落脚于实验验证。笔者认为,在机械能守恒定律的教学中,可在理论探究之后借助数字化信息系统(DIS)进行实验验证。

3.1 理论探究

如图2所示,根据动能定理,对小球从A运动到C过程,有:WG-W阻=EkC-EkA,重力势能的变化与重力做功的关系为:WG=EpA-EpC。整理两式可得:-W阻=(EkC+EpC)-(EkA+EpA),当阻力为0时,有:EkC+EpC=EkA+EpA。据此可得出结论:当只有重力做功时,动能和势能在相互转化时总的机械能保持不变。

图2

3.2 实验验证

如图3所示,利用DIS和机械能守恒实验仪收集数据,验证理论探究结果。选择E点为零势能点,重锤质量为m,与重锤相连接的挡光片的宽度为d,光电门的位置可以调节,在实验仪器上选定A、B、C、D、E点,让重锤从O点静止释放,沿着圆周依次通过上述几点,对应点的高度数据已经提前输入电脑,运用信息技术为物理教学赋能,大大提升了教学效率。

图3

每次让摆锤从O点静止释放,依次调节光电门到A、B、C、D、E点,点击“记录数据”测定各点速度,点击“数据计算”,生成的实验数据如见表1。从中可得出结论:在实验误差允许的范围内,如果只有重力做功,则机械能守恒,验证了理论探究结果。

表1

经历了这样的知识建构过程,学生的认知能力得到提高,可谓在探究中建构,在验证中提升,两者自然衔接,一气呵成。

4 只受重力或只受弹力时机械能是否守恒?

机械能守恒定律的内容是:在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能和势能可以相互转化,而总的机械能保持不变。通过分析可发现,上述表述中有几个关键点,分别是“做功”“物体系统”。笔者在教学中发现,有的学生会将机械能守恒的条件理解为只受重力或弹力,丢掉了“做功”二字;在处理与机械能守恒相关的问题时,往往把研究对象默认为单个物体,而不是“物体系统”。出现这样的问题除了学生本身的原因之外,更多的是教师对规律的解读不到位,导致学生理解不透彻。

当物体只受重力时,若说做功的话当然只有重力做功,要么做正功,要么做负功,此时能量只会在动能和重力势能之间相互转化。这里有一个问题需要澄清,即重力势能是作为研究对象的物体和地球组成的系统共有的,只不过是为了叙述方便,一般说成是物体的重力势能,不再强调是物体与地球所共有的,此时可以认为物体的机械能是守恒的。

当物体只受弹力时,或者除弹力外其他力的合力为零,此时物体的机械能将不会守恒。若说弹力做功,即弹力要么做正功,要么做负功,此时能量只会在动能和弹性势能之间相互转化,可是此时弹性势能是物体和弹簧所共有的,而弹簧所存储的弹性势能是不可以忽略的,对物体而言只能讨论它的动能,从来不会说某物体具有多少弹性势能。研究机械能守恒一定要明确“物体系统”的概念,而不能单纯从受力或做功的角度去分析,以下再用两个例子予以说明。

例1:水平方向运动的弹簧振子(图4)。

图4

关联:动能和弹性势能相互转化。

结论:小球和弹簧构成的物体系统机械能守恒。

依据:对于小球和弹簧构成的物体系统,只有系统内部的弹力做功。

例2:竖直上抛的小球。

关联:动能和重力势能相互转化。

结论:小球的机械能守恒。

依据:小球只受重力,只有重力做功。