淺談能量守恒在物理核心素養(yǎng)中的意義

周萬(wàn)里

【摘 要】在能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，許多科學(xué)家為之付出了巨大的努力，也留下了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為物理教學(xué)提過(guò)了豐富的材料，通過(guò)對(duì)能量守恒的認(rèn)真學(xué)習(xí)，必將對(duì)同學(xué)們的價(jià)值觀念思維能力產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

【關(guān)鍵詞】能量守恒 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化 核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2018.03.053

新修訂的2017年版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，以學(xué)科本質(zhì)為中心，充分體現(xiàn)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，為終生發(fā)展、應(yīng)對(duì)社會(huì)挑戰(zhàn)打基礎(chǔ)，新課標(biāo)具體要求以包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面，下面我以能量的轉(zhuǎn)化與守恒為例詳細(xì)分析其在物理核心素養(yǎng)中的意義。

一、認(rèn)識(shí)能量的轉(zhuǎn)化與守恒

1.自然界中的能量的形式不盡相同，如：內(nèi)能、勢(shì)能、動(dòng)能等。

2.各種能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，例如箭從弓上射出的過(guò)程就是把彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。

3.一種形式能量的改變對(duì)應(yīng)一種形式的力做功，例如由動(dòng)能定理可知?jiǎng)幽艿母淖兊扔诤狭λ龅墓?，重力?shì)能的改變只能通過(guò)重力做功來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.功是能量轉(zhuǎn)化的量度，不同形式的能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中必須通過(guò)做功來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且力做多少功對(duì)應(yīng)的能量就轉(zhuǎn)化多少。

5.能量守恒定律：能量既不能被創(chuàng)造也不能被消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另外一種形式，從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)物體或從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過(guò)程中其總量保持不變。

二、在物理觀念的意義

物理觀念是基于物理學(xué)概念規(guī)律等的學(xué)習(xí)，以物理學(xué)視角分析自然現(xiàn)象和實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)對(duì)能量守恒的學(xué)習(xí)，我們來(lái)看一個(gè)摩擦生熱的現(xiàn)象，摩擦生熱是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，但很少有人知道摩擦為什么會(huì)生熱？

在這里“熱”指溫度，而溫度是物體內(nèi)能的體現(xiàn)，通過(guò)能量守恒可知，在摩擦的過(guò)程中，物體克服摩擦力做功，把其他形式的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使物體的內(nèi)能增大從而導(dǎo)致溫度升高，摩擦過(guò)程能量并沒(méi)有消失，只是通過(guò)做功從一種形式轉(zhuǎn)化為另外一種形式而已，這就是能量守恒的規(guī)律?！澳Σ梁附印奔夹g(shù)有著精度高、范圍廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中，它就是將兩個(gè)焊件的焊接端面上加一定的軸向壓力，使接觸面間劇烈的摩擦運(yùn)動(dòng)，使接觸面溫度不斷升高，達(dá)到一定的焊接溫度時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，再施加一定的壓力，使兩個(gè)焊件牢固地焊接在一起，通過(guò)對(duì)能量的轉(zhuǎn)化利用就能很好的服務(wù)于我們的工業(yè)生產(chǎn)和日常生活。

三、在科學(xué)思維的意義

學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的質(zhì)疑批判、假設(shè)猜想、分析綜合、邏輯推理等科學(xué)方法對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行抽象概括和物理建模而具備的能力就是科學(xué)思維。能量的轉(zhuǎn)化與守恒的思想對(duì)我們合理的解決各類問(wèn)題提供了依據(jù)，電力的有效利用是第二次工業(yè)革命的基礎(chǔ)，而我們現(xiàn)在的生活更是離不開(kāi)電，正所謂一日無(wú)電，度日如年，所以人們通過(guò)各種方式來(lái)獲得電能，如風(fēng)力發(fā)電是將空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程水力發(fā)電，它是將水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，這些過(guò)程都是對(duì)能量的轉(zhuǎn)化與守恒的思想有效利用。能量守恒對(duì)解決新問(wèn)題，預(yù)言新事物提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。在物理學(xué)史上有不少杰出的人才為了發(fā)明永動(dòng)機(jī)付出巨大的精力和時(shí)間，他們?cè)O(shè)想不用消耗任何燃料而不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，源源不斷地提供能量，但結(jié)果確是徒勞無(wú)獲，直到19世紀(jì)關(guān)于能量守恒定律的確立，人們才認(rèn)識(shí)到永動(dòng)機(jī)是不可能制造出來(lái)的。

四、在科學(xué)探究的意義

科學(xué)探究是針對(duì)物理問(wèn)題，通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)獲得的現(xiàn)象結(jié)果進(jìn)行分析論證的過(guò)程，也是對(duì)探究過(guò)程中對(duì)交流、評(píng)估、反思等能力的考驗(yàn)和鍛煉。愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：“純粹邏輯思維不能給我們?nèi)魏谓?jīng)驗(yàn)世界的知識(shí)，所有真實(shí)的知識(shí)都是從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)并在經(jīng)驗(yàn)中完成?！庇?guó)科學(xué)家焦耳，從最初的磁電機(jī)做功發(fā)熱現(xiàn)象開(kāi)始，對(duì)電流的熱效應(yīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，最終發(fā)現(xiàn)了焦耳定律，得出消耗的電能等于電阻增加的內(nèi)能，為能量守恒定律的通過(guò)了有力證據(jù)。在高中物理教學(xué)中通過(guò)安排驗(yàn)證動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)等科學(xué)探究的內(nèi)容來(lái)鍛煉同學(xué)們的動(dòng)手操作、交流分析、思考判斷等相關(guān)的科學(xué)素養(yǎng)，使同學(xué)們具備適應(yīng)新環(huán)境迎接新挑戰(zhàn)的能力。

五、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感是在科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)中，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，包括嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化是有條件的，動(dòng)物吃草人吃飯，都是為了獲得能量，但是人很難通過(guò)吃草來(lái)獲得能量，這就要求我們養(yǎng)成節(jié)約的習(xí)慣，珍惜資源，用能量守恒的觀點(diǎn)看問(wèn)題，強(qiáng)烈的責(zé)任感對(duì)待我們的生活。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程是漫長(zhǎng)而又艱辛的，期間充滿著各種挑戰(zhàn)，德國(guó)科學(xué)家邁爾年輕的時(shí)候是一位醫(yī)生，他在一次隨船從荷蘭到印度的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)病人的靜脈血比在歐洲時(shí)更加鮮紅，他經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考發(fā)現(xiàn)，紅色素是血液中氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，赤道附近天氣炎熱，人的體溫不需消耗太多的能量，從而不需要消耗太多的氧，導(dǎo)致血液更加鮮紅，邁爾并沒(méi)有止步于此，回去后他繼續(xù)探究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)攪拌紙漿，可以使紙漿溫度升高，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)逐漸認(rèn)識(shí)到了能量之間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律，在他發(fā)表的數(shù)篇論文中，明確提出能量是不滅的，可以相互轉(zhuǎn)化的，物質(zhì)的量是守恒不變的，它既適用于物質(zhì)也適用于能量。這些理論為能量守恒定律的最終提出奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，盡管如此，他的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)沒(méi)有得到廣泛認(rèn)可，他在演說(shuō)自己的觀點(diǎn)時(shí)卻被認(rèn)為是瘋子，甚至遭到了很多詆毀和攻擊，最終被關(guān)進(jìn)了精神病院遭遇了數(shù)年的非人待遇，這是物理學(xué)的不幸，但隨著科學(xué)的發(fā)展人們最終認(rèn)識(shí)到了能量守恒定律的正確性和普遍性，邁爾的晚年苦盡甘來(lái)，得到了應(yīng)有的榮譽(yù)和待遇，邁爾本著求真務(wù)實(shí)的態(tài)度，堅(jiān)持不懈的努力，為物理學(xué)的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)，他的科學(xué)精神值得學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)。

能量守恒的規(guī)律不只是物理課本的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，作為物理學(xué)中三大守恒定律之一，更是一種分析處理問(wèn)題的思維，也是為人處世的一種觀念，它的理論對(duì)整個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的影響是巨大的，它的思想對(duì)整個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。能量守恒必將發(fā)揮其在物理學(xué)科核心素養(yǎng)教育中的意義。