能量守恒觀念形成的教學探尋

李鴻彬

(南京外國語學校，江蘇 南京 210008)

能量守恒觀念形成的教學探尋

李鴻彬

(南京外國語學校，江蘇 南京 210008)

物理觀念是高中物理核心素養的重要方面,通過教學幫助學生形成正確的物理觀念是物理教學超越于知識、方法目標的更為重要的教學目標．本文以“追尋守恒量—能量”一節為例,設計了守恒觀念教學的各個環節,研究了形成物理觀念的教學規律性,即“鋪墊—建立—鞏固—發展—強化—反思”．

觀念形成;教學規律;研究

1 教學目標分析

“觀念”是人們對事情的主觀與客觀認識的系統化之集合體,人們會根據自身形成的觀念進行各種活動．“物理觀念”是高中物理核心素養的重要方面,新課程標準提出:“物理觀念”主要包括物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素．”其實,物理觀念還有超越這幾方面的內容,它們是在這些內容之上的進一步提煉與升華,像守恒觀念、對稱觀念等．

“追尋守恒量”是人教版高中物理課本必修2第7章“機械能守恒定律”的開篇內容,章眉處給了德國物理學家勞厄的一段話:“物理學的任務是發現普遍的自然規律．因為這樣的規律的最簡單的形式之一表現為某種物理量的不變性,所以對于守恒量的尋求不僅是合理的,而且也是極為重要的研究方向”．

本節內容不多,主要是圍繞追尋“什么東西守恒”而形成了“能量”概念.它不僅有清晰的知識目標、方法目標,還有重要的觀念養成目標．守恒關系應是自然界客觀存在的一種重要關系.通過本節教學,旨在培養學生守恒觀念,并要求學生能用它去解決實際問題,甚至描述自然界的圖景和人類社會的圖景．應該說,這一目標比知識、方法目標更為重要．鑒于觀念具有的主觀性、實踐性、歷史性、發展性等特點,形成物理觀念的教學也應有其相應規律．

2 教學流程設計

首先用視頻導入新課;接著分析水流問題,對理解守恒觀念進行鋪墊;再依次對伽利略理想斜面實驗、單擺實驗、彈簧振子實驗進行觀察與分析,讓學生建立和鞏固動能與重力勢能、彈性勢能之間轉化時總量守恒的觀念;再分析焦耳熱功當量實驗,體現出電能與內能間轉化時總量也守恒,發展學生的守恒觀念;再分析中微子發現事例,強化學生的守恒觀念并說明守恒觀念是物理研究的思想方法;最后再分析對接斜面實驗,對建立的守恒觀念進行反思．基于觀念的諸多特點,通過問題導引,設置鋪墊,觀察分析實驗與事例,讓學生建立、發展、應用守恒的觀念,并對建立的觀念進行反思,有效地形成物理觀念,達成識定的教學目標．

3 教學過程實施

3.1 新課導入

播放中央電視臺“2011年感動中國”頒獎典禮開場片段,通過人文素材導引新課,說明追求變化之中不變的觀念之普適性．

主持人敬一丹:“觀眾朋友,這里是感動中國,讓我們一起走進感動中國2010年度人物評選頒獎盛典”．

主持人白巖松:“還是這個季節,還是這個時間,還是對溫暖的渴望,還是您期待的目光,在這個極具變化的時代里,總要有一些不變的東西,讓我們向前走的時候,會更踏實,接下來我們就再度與感動相逢……”

師:在這極具變化的時代,文化工作者在努力尋找一種不變的東西,這是感動我們的一些人和事,這是我們社會所要弘揚的價值理念．科學工作者,面對不斷變化的物質世界,他們也要努力尋找不變的東西,尋找變化之中的不變量,這就是本節課要研究的主題．……

3.2 新課內容

3.2.1 理解守恒觀念的鋪墊引導——水流問題

圖1

問題:開口朝下的水龍頭口較小時,會形成一條連續的水柱,水沿豎直方向流下,仔細觀察會發現水柱的直徑是不斷減小的．現測得水在出口處的速度大小為1 m/s,出口處水柱的直徑為1 cm,出水口離接水盆距離為75 cm．求水流柱在落至接水盆前瞬間的直徑大?。?g=10 m/s2)

學生思考分析:由于這一段水柱的體積不變,因此在液柱的上下各取一個截面,如圖1所示，在相等的時間內通過這兩個截面的水的體積一定相等,否則這一段水柱的體積將會發生變化．

在Δt時間內通過上下截面處的水的體積為

師:很好!本題體現連續流體的質量守恒或體積守恒,需用守恒的思想觀念來分析解決．

3.2.2 顯露守恒觀念的史例呈現——伽利略理想斜面實驗

先簡介伽利略生平,再演示對接斜面實驗,小球從斜面上某一位置釋放,小球能滾上另一斜面某一高度,引導學生觀察小球上升的高度與原高度的不同．

學生匯報觀察結果:小球上升的最高位置比釋放位置低．

教師提問:如果沒有空氣阻力和其他阻力,小球滾上另一斜面的位置會怎樣呢?

學生討論回答:小球會滾上另一斜面等高的位置．

教師:對!伽利略也是這樣分析的．但這在實驗室里是無法完成的,無法用實驗加以證實．

教師通過課件演示伽利略理想斜面實驗情景．

教師問:伽利略判斷的依據是什么呢?

教師答:在不考慮空氣阻力和其他阻力的情況下,伽利略已經認為小球有一“東西”是不變的,但他沒有進一步給出這一不變的東西是什么．這說明在伽利略時代,能量及其能量守恒的思想開始有了萌芽．

3.2.3 形成守恒觀念的實踐體驗——單擺實驗

圖2

學生實驗:讓單擺擺球擺動,學生觀察．

師問:小球怎樣運動?

生答:小球在最低點兩側來回擺動,且左右兩側最高位置幾乎等高．

師問:小球為什么這樣運動?

生答:如圖2所示，小球受重力和繩子拉力的作用,向下擺時,T和G2的合力提供小球做圓周運動的向心力,G1的作用效果使小球的速度越來越大;向上擺時,T和G2的合力仍提供向心力,G1的作用效果使小球的速度越來越小,當小球的速度減為0后再向下運動．

師問:為什么小球總會擺到剛才釋放時的高度,好像總記得剛才釋放時的高度一樣呢?

師分析:牛頓運動規律能做出解釋,只是我們現有的數學知識還不夠．那換一角度思考,這說明小球在運動過程中某種“東西”是不變的．這種不變的“東西”是什么呢?這“東西”就是“能量”．

師再問:小球在擺動過程中,能量不變,具體能量是怎樣轉化的呢?

圖3

教師給出動能、勢能、重力勢能等概念的定義．

生答:如圖3所示，小球從A到O,重力勢能轉化為動能,從O到B,動能轉化為重力勢能,從B到O,重力勢能轉化為動能,從O到A,動能轉化為重力勢能．

師總結:小球在運動的過程中,小球的位置、高度、受力、速度、加速度、動能、重力勢能等物理量不斷在發生變化.在這復雜變化的背景下隱含某一“東西”是不變的,尋找變化中的不變量是物理學研究的任務和方向．

3.2.4 鞏固守恒觀念的應用訓練——彈簧振子實驗

演示實驗:讓水平方向的彈簧振子振動起來,引導學生觀察．

師問:小球在怎樣運動?小球為什么會這樣運動?

圖4

生答:如圖4所示，小球左右來回運動,在運動過程中,左、右兩側最遠位置到O點的距離相等．從B到O,小球受力不斷變小,做加速度減小的加速運動;從O到C,小球受力不斷變大,做加速度增大的減速運動;從C到O,小球受力不斷變小,做加速度減小的加速運動;從O到B,小球受力不斷增大,做加速度增大的減速運動．

師問:為什么小球左、右兩側最遠位置到O點的距離相等呢?

學生討論回答:說明小球在運動過程中也有某一“東西”保持不變,它也是能量．

師:很好.這里涉及到動能和彈性勢能的轉化．

教師給出彈性勢能定義．

師問:物體在運動過程中,動能和彈性勢能是如何轉化的呢?總量是否變化呢?

生討論回答:從B到O,彈性勢能轉化為動能;從O到C,動能轉化為彈性勢能;從C到O,彈性勢能轉化為動能;從O到B,動能轉化為彈性勢能．小球在運動的過程中,小球的受力、速度、加速度、偏離平衡位置的位移、動能、彈性勢能等在不斷發生變化,但動能和彈性勢能的總量是不變的．

3.2.5 發展守恒觀念的史例分析——焦耳熱功當量實驗

簡介物理學家焦耳生平．再介紹焦耳在1840至1849年間完成的多個測量熱功當量數值實驗中的一個.

圖5 測熱功當量實驗圖

師問:在上述實驗中,焦耳為什么能認為電流做的功等于電熱絲放出的熱量,即等于液體、量熱器內筒包括攪拌器吸收的熱量呢?

生答:焦耳認為電能與內能轉化時總量是守恒的．

師:很好.也說明當時焦耳已經具有了普遍的能量守恒思想．能量概念及能量守恒定律的建立是焦耳那個時代一大批科學家研究的成果,其中焦耳提供了堅實可靠的實驗基礎．

3.2.6 強化守恒觀念的事實檢驗——中微子發現

呈現閱讀材料:中微子是基本粒子家族的成員之一,它不帶電,質量非常輕(小于電子的百萬分之一),以接近光速運動,它與其他物質發生相互作用的幾率很小,因此,人們不容易捕捉它,用實驗證實其存在十分困難．

問題起因:在上世紀上半期,科學家發現，一個中子衰變為一個質子和一個電子時,發現一個質子和一個電子的能量加起來達不到中子的能量．如何解釋?

當時有兩種觀點.一種觀點認為，能量守恒定律不成立了,例如玻爾曾一度提出,或許能量守恒定律只是在統計意義上成立,在這里就不成立了;另一種觀點認為，能量收支不平衡是因為有一樣別的東西，即某種粒子將一部分能量帶跑掉了,這一觀點是1930年德國物理學家泡利提出的,后來費米把這種粒子命名為中微子．

學生討論總結:泡利觀點正確,泡利正確觀點的形成是基于能量守恒的觀念．

師:很好.同時也說明能量守恒定律在微觀領域內是成立的．

3.2.7 建立守恒觀念的批判反思——伽利略對接斜面實驗

回頭再分析對接斜面演示實驗．

師問:為什么小球從斜面上某一位置釋放,在對接斜面上小球上升的位置總是比釋放位置低呢?

生答:說明在實驗條件下,小球在運動過程中,它所具有的動能與重力勢能的總量是減少的．

師總結:對.只有在理想的條件下,即不考慮摩擦和其他阻力的條件下,動能與重力勢能的總量才是守恒的．因此,應用守恒觀念分析解決問題時,應考慮某一“東西”守恒是否有前提條件?并進一步思考要有什么樣的條件?

3.3 導引下節新課

師問:上述單擺實驗和彈簧振子實驗,動能和勢能在不斷地轉化,那么如何定量地研究動能和勢能呢?動能和勢能的轉化又是如何實現的呢?這是我們下一節課要研究的問題．

4 教學總結反思

由于本人對物理課程目標的認識在不斷地加深,因此當遇到這一觀念性教育的素材時,覺得這是難得的,于是對教材進行了適當的挖掘,努力探尋物理觀念教學的規律性．從學生課堂反映和課后的反饋了解,本節課基本達到課前設定的目標．但本節課的設計在追尋守恒量的必要性及可能性等方面挖掘不夠,同時設計者雖有意向去培養學生超越學科知識方法之上的守恒思想,但一節課的教育效果可能是有限的,須在以后的教學中不斷鞏固拓展與強化．

1 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材開發中心.物理必修2教師教學用書[M].北京:人民教育出版社,2014:100-102.

2 教育部.教育部關于全面深化課程改革,落實立德樹人根本任務的意見[Z],2014.

3 任建英.談物理觀念[J].物理教學,2017(2):49-52.

2017-05-23)