人教版《第八章機械能守恒定律》編寫說明

張穎

摘 要： 新人教版第八章的編寫說明，以使教師了解教材結(jié)構(gòu)及核心素養(yǎng)落實.

關(guān)鍵詞： 新教材;編寫說明;核心素養(yǎng)落實

文章編號： 1008-4134（2019）23-0002 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻標(biāo)識碼： B

1 本章概述

本章是必修力學(xué)部分的最后一章，落實了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中2.1.1～2.1.4條內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的要求，講述功和能的概念，以及動能定理和機械能守恒定律.這一章可視為牛頓運動定律的延伸和拓展，在牛頓運動定律的基礎(chǔ)上，通過引入功和能的概念，從而打開了一個研究機械運動以及機械運動與相互作用關(guān)系問題的全新的角度——能量的角度.

本章也是高中學(xué)生接觸能量概念的第一章.學(xué)生將會發(fā)現(xiàn)，如果研究對象在某一過程中滿足機械能守恒的條件，應(yīng)用機械能守恒定律解決問題只需考慮運動的初狀態(tài)和末狀態(tài)，而不必考慮兩個狀態(tài)間過程的細節(jié)，這樣就給處理問題帶來方便.不僅如此，機械能守恒還有更深刻的意義.它提示我們，盡管物理世界是千變?nèi)f化的，但是，有些物理量在一定條件下是守恒的，可以用這些“守恒量”來表示物理世界變化的規(guī)律，這就是守恒定律.機械能守恒定律就是其中一個.正因為自然界存在著“守恒量”，而且某些守恒定律的適用范圍很廣，所以，在物理學(xué)中尋求“守恒量”已經(jīng)成為物理學(xué)研究的一種重要思想方法.因此，通過本章的學(xué)習(xí)，不僅為解決力學(xué)問題開辟了新的途徑，學(xué)生對自然的認(rèn)識也將更加深入.關(guān)于更多的能量形式、普遍的能量守恒定律以及能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性問題，課程標(biāo)準(zhǔn)放在后續(xù)的必修三模塊和選擇性必修模塊介紹.

這一章共有5節(jié)，可分為兩大部分.第1～3節(jié)是第一部分，介紹本章的基礎(chǔ)概念：第1節(jié)擴展了初中的功的概念，介紹了物體運動的方向與力的方向不一致情形下功的計算，以及功率的概念;第2節(jié)通過重力做功與路徑無關(guān)引入重力勢能的概念;第3節(jié)通過討論恒力做功與速度變化的關(guān)系，引入動能的概念，并用動能定理來表述上述關(guān)系;第4～5節(jié)是第二部分，介紹本章的核心知識——機械能守恒定律.其中第4節(jié)分析了只有重力做功情形下重力勢能和動能的互相轉(zhuǎn)化，并將其推廣到只有重力和彈力做功時的機械能守恒定律.第5節(jié)根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)學(xué)生必做實驗的要求，安排了實驗驗證機械能守恒定律.

編者在編寫教材時，在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)方面有如下考慮.

1.1 物理觀念

普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出，能量觀是物理觀念的要素之一.編者認(rèn)為，能量觀的核心內(nèi)容是：自然界中一切物質(zhì)都具有能量，能量的大小用功來量度;能量有各種不同的形式，能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體傳遞到另一個物體;在能量轉(zhuǎn)化和傳遞的過程中，各種形式能量的總量保持不變，能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性.能量守恒定律是自然界最基本的規(guī)律和最普遍的法則，支配著迄今我們知道的一切自然現(xiàn)象——從原子核反應(yīng)到石塊的下落以至宇宙的演化，為我們看待自然現(xiàn)象提供了統(tǒng)一的觀點.學(xué)生在初中階段已經(jīng)初步、定性地接觸了動能、勢能、電能等概念.在高中階段，他們將進一步從定量的角度學(xué)習(xí)并發(fā)展這些概念，并且逐步深入地理解能量守恒定律.學(xué)好本章，將為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ).

教材幫助學(xué)生建立能量觀的作法主要體現(xiàn)在：圍繞功能關(guān)系這一基本線索（如圖1），逐步建立“可以通過做功的多少，定量地研究能量及其相互轉(zhuǎn)化”的觀念，進而理解機械能守恒定律.

在本章章首語中就指出：“能量的轉(zhuǎn)化與功的概念緊密相連.”在第2節(jié)，通過研究物體沿不同路徑運動時重力做功的特點，定義“ mgh ”為重力勢能.第3節(jié)，通過研究力做功與物體速度變化之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)這個量在過程終了與過程開始時的差，正好等于力對物體做的功從而定義了動能.在機械能守恒定律的建立過程中，同樣也是以研究力做功的情況切入的.

學(xué)生如果能夠結(jié)合具體問題逐步理解這一線索，不但有助于把這一章的知識融會貫通，而且有助于今后從能量的觀點學(xué)習(xí)其他部分的知識和解決實際問題.

另外，教材編寫強化了重力勢能、動能等基本概念的形成過程，為學(xué)生能量觀的發(fā)展打好基礎(chǔ).

1.2 科學(xué)思維

本章教材關(guān)于科學(xué)思維的培養(yǎng)，主要突出了演繹推理和極限方法的學(xué)習(xí).

演繹推理是以一般性結(jié)論為前提推出個別性結(jié)論的方法，即從已知的某些一般原理、定理、法則、公理或科學(xué)概念出發(fā)，通過邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推導(dǎo)）得出結(jié)論的一種思維活動.演繹推理是科學(xué)研究中的重要方法之一，也是學(xué)生最廣泛進行的學(xué)習(xí)活動.例如，解物理習(xí)題的過程，很多都涉及演繹推理.學(xué)生通過力學(xué)部分的學(xué)習(xí)，對此已經(jīng)有了較多的體驗，打下了較為堅實的基礎(chǔ)，在此有必要進行一定的小結(jié).因此，教材在第3節(jié)“動能和動能定理”結(jié)束時，專門安排了科學(xué)方法欄目，結(jié)合動能定理的推導(dǎo)過程介紹了演繹推理方法.在機械能守恒定律的推導(dǎo)過程中，學(xué)生可以進一步體會演繹推理方法.

通過必修第一冊瞬時速度概念、勻變速直線運動位移公式等的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步了解了極限方法.本章在功和能的情境下進一步應(yīng)用極限方法.功率的計算式、動能定理、機械能守恒定律都是在恒力和直線運動的情況下推導(dǎo)出來的.考慮到動能定理和機械能守恒定律的應(yīng)用并不限于恒力和直線運動，所以課本在敘述中有意識地作了擴展.例如，講功率的計算時，指出計算平均功率的公式 P = Fv 同樣適用于瞬時功率;講解重力勢能時，分析了重力做功與路徑無關(guān)，因此從直線運動推導(dǎo)出來的重力勢能的變化與重力做功的關(guān)系，對曲線運動的情形同樣適用;講解動能定理時，指出不論外力是否為恒力，也不論物體是否做直線運動，動能定理都成立.在以上教學(xué)過程中，都涉及了極限方法的應(yīng)用.

1.3 科學(xué)探究

本章沒有安排專門的探究實驗活動.對學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在：通過在每節(jié)前設(shè)置問題情境，使學(xué)生基于觀察引發(fā)思考.這些問題情境，有的是來自生活（第1節(jié)），有的是來自初中定性知識（第2、3節(jié)），還有的是來自物理學(xué)史上的事例（第4節(jié)）.通過長期的訓(xùn)練，學(xué)生從被動思考教材提出的問題，會發(fā)展到主動提出需要研究的問題，以此培養(yǎng)問題意識.

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

理解機械能及其守恒定律是學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)能、電能，以及建立普遍能量概念的前提，而能量與能源的利用聯(lián)系密切.因此，本章內(nèi)容是培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”，特別是幫助學(xué)生形成可持續(xù)發(fā)展觀的基礎(chǔ).教材在章首語中就進行了滲透：“任何人類活動都離不開能量.例如，現(xiàn)代化的生活離不開電廠供應(yīng)的電能，許多現(xiàn)代交通離不開燃料燃燒釋放的化學(xué)能，核電站能夠利用原子核裂變時釋放的核能，人類生活需要攝入食物中的化學(xué)能，植物的生長依賴太陽能……”

科學(xué)本質(zhì)觀是科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的重要要素.課程標(biāo)準(zhǔn)沒有對科學(xué)本質(zhì)觀進行界定.編者認(rèn)為，讓學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)概念和規(guī)律的普遍性是科學(xué)本質(zhì)觀教育的重要內(nèi)容，在這方面，守恒思想可以作為重要素材.本章教材開始時引用了德國物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者勞厄的話：“物理學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律.因為這樣的規(guī)律的最簡單的形式之一表現(xiàn)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.”并在第89頁以正文和旁批的形式進行了呼應(yīng)：“能量概念的引入是科學(xué)前輩們追尋守恒量的一個重要事例.”“科學(xué)概念的力量在于它具有解釋和概括一大類自然現(xiàn)象的能力.在這方面能量概念的作用十分突出.”

課時安排建議：本章教學(xué)可以安排8課時.

1. 功與功率 ? ? ?2課時

2. 重力勢能 ? ? ? ? 1課時

3. 動能和動能定理 ? ? ?2課時

4. 機械能守恒定律 ? ? ?2課時

5. 實驗：驗證機械能守恒定律 ?1課時

2 具體說明

2.1 第1節(jié) 功與功率

功的概念反映了受力物體在運動過程中力在空間的積累效應(yīng).更為重要的是，功可以量度能量的變化，或者說功是能量變化或轉(zhuǎn)化的量度，而功率則是這種變化或轉(zhuǎn)化快慢的量度.功和功率為研究能量轉(zhuǎn)化過程奠定了一個定量分析的基礎(chǔ).

學(xué)生在初中已經(jīng)對功和功率有了初步了解，知道力和物體運動方向相同時功和功率的計算.考慮到初、高中階段知識的延續(xù)性，新教材沒有用過多的篇幅回顧初中知識，壓縮了篇幅，把功和功率合編為一節(jié).

2.1.1 正功和負(fù)功

高中階段把功的概念擴展到力與運動方向有一定角度的情況.從功的計算式 W = Fl cos ?α 可以看出，由于cos ?α 可正可負(fù)，使得 W 也可正可負(fù)，由此引入正功、負(fù)功的概念.這是從數(shù)學(xué)的角度來認(rèn)識“負(fù)功”.還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識，從物理的角度來看，功的正負(fù)并不表示功有方向. α <90°時，cos ?α >0，意味著力 F 為動力，有促使物體運動的作用; α >90°時，cos ?α <0，從力和運動角度看 F 為阻力，有阻礙物體運動的作用，所做的是負(fù)功.這時，物體要繼續(xù)產(chǎn)生位移，必須克服力 F 的阻礙，可以說力 F 對物體做負(fù)功.另外需要注意，“做功”的主體是“力”而不是“物體”.基于此，新教材不再使用“物體克服力 F 做功”的說法，而統(tǒng)一說“力 F 對物體做負(fù)功”.

2.1.2 功是標(biāo)量

有的學(xué)生或許會思考：功的計算式中包括力和位移兩個矢量，為什么功是標(biāo)量？由于高中不涉及矢量的點積運算，學(xué)生不可能從功的計算式中確切把握功的標(biāo)量性.教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)矢量的定義來判斷功是矢量還是標(biāo)量.

教材在談到物體受多個力的作用下功的計算時指出：“當(dāng)一個物體在幾個力的共同作用下發(fā)生一段位移時，這幾個力對物體所做的總功，是各個力分別對物體所做功的 代數(shù)和 .可以證明，它也就是這幾個力的合力對物體所做的功.”對于學(xué)有余力的學(xué)生，可以引導(dǎo)他們證明這一結(jié)論，從而認(rèn)識功的標(biāo)量性.

2.1.3 平均功率和瞬時功率

功率的定義式和初中一樣，高中的主要變化是推導(dǎo)出了 P ?= ?Fv ，并指出這個公式也適用于瞬時功率的計算.由于公式推導(dǎo)所涉及的極限思想在講瞬時速度時已有所滲透，教師可啟發(fā)學(xué)生回憶瞬時速度的定義方法，讓學(xué)生自行將瞬時速度的定義方法遷移到瞬時功率的定義中來，增進對概念的理解.

2.2 第2節(jié) 重力勢能

如前所述，教材強化了能量基本概念的建立過程，為學(xué)生能量觀的發(fā)展打好基礎(chǔ).理解重力勢能概念的建立過程，有助于學(xué)生進一步學(xué)習(xí)理解電勢能、內(nèi)能的概念.

在引入重力勢能概念時，教材先詳細研究了物體運動路徑不同時重力做功的情況，得出“重力做功與路徑無關(guān)”的結(jié)論，進而定義“重力勢能”來描述重力做功的這種性質(zhì).“重力做功與路徑無關(guān)”的重要意義在于，它是定義“重力勢能”的前提條件.為了強調(diào)這一點，教材特意安排了一個“思考與討論”欄目，讓學(xué)生思考：“若重力做的功與路徑有關(guān)，我們還能把 mgh 叫作物體的重力勢能嗎？”如果是這樣，那么，分別沿著不同的路徑把一個物體由地面舉到高度為 h 的一點，重力做的功將不同.設(shè)沿著路徑1把物體舉高時重力做的功是 W 1，沿著路徑2把物體舉高時重力做的功是 W 2，那么，位于高度 h 的物體的重力勢能到底等于 W1還是W 2呢？這個重力勢能也就沒有意義了！可見，正是由于重力做功與路徑無關(guān)，重力勢能的改變才有確定值，在物理學(xué)中才可以引入重力勢能這個概念.教學(xué)中應(yīng)注意強調(diào)這一點.

課程標(biāo)準(zhǔn)對彈性勢能的要求是“定性了解”.由于篇幅較短，教材沒有單獨列為一節(jié)，而是放在本節(jié)當(dāng)中用一個小標(biāo)題來體現(xiàn).

2.3 第3節(jié) 動能和動能定理

2017版課程標(biāo)準(zhǔn)刪去了“通過實驗，探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系”這一要求.考慮到教學(xué)要求的降低，教材本章內(nèi)容也進行了相應(yīng)的調(diào)整，刪去了原來的第6節(jié)“實驗：探究功與速度變化的關(guān)系”.

2.3.1 動能

通過前面幾章的學(xué)習(xí)，學(xué)生對于利用牛頓第二定律處理力和運動關(guān)系的問題已經(jīng)不陌生了，因此，用演繹的方式得出表達式不會有困難.但是，教材并沒有因此而忽略動能概念的引入，僅僅簡單、直接地給出動能的定義式.教材有這樣一段文字：

從上式可以看出，“ 1 2 mv2”很可能是一個具有特定意義的物理量，因為這個量在過程終了與過程開始時的差，正好等于力對物體做的功.在物理學(xué)中就用“ 1 2 mv2”這個量表示物體的動能.

在這里，教材根據(jù)對力做功的分析來定義動能，這個處理方法跟重力勢能概念的引入是一脈相承的.

2.3.2 動能定理

動能定理是一個適用范圍很廣的物理規(guī)律.教科書是在恒力做功、直線運動的條件下推導(dǎo)這一定理，如果是變力做功或物體做曲線運動時，教師要適時滲透“化曲為直”“以恒代變”等辯證思想，使學(xué)生領(lǐng)會可以把力對物體做功過程中的路徑分割成許多小段，認(rèn)為物體在每小段的運動過程中都受到恒力的作用，并把每小段軌跡都當(dāng)作直線.整個過程中，力對物體所做的功，就等于各個小段中該力所做功的代數(shù)和.

2.4 第4節(jié) 機械能守恒定律

能量概念是在人們追尋“守恒量是什么”的過程中發(fā)展起來的.能量概念之所 以重要，就是因為它是一個“守恒量”.近代物理學(xué)的發(fā)展更是伴隨著對守恒量的追求.

2010年版教材編者將“追尋守恒量”放到了具體的概念如重力勢能、彈性勢能、動能之前，即從追尋守恒量出發(fā)引出能量概念，把守恒思想的滲透貫穿于能量學(xué)習(xí)的全過程.通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這種寫法盡管立意很高，得到了一些老師的認(rèn)同，但也有很多老師由于課時等原因，并沒有單獨安排這節(jié)課的教學(xué)，因此并沒有達成預(yù)期的效果.從方便教師開展教學(xué)的角度，新教材沒有把“追尋守恒量”單獨編為一節(jié)，而是放在第4節(jié)“機械能守恒定律”當(dāng)中.

教材在講機械能守恒定律之前，先通過提出伽利略斜面實驗背后隱含的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：在小球的運動過程中，有哪些物理量是變化的？哪些是不變的？你能找出不變的量嗎？然后進一步通過“追尋守恒量”這個小標(biāo)題的敘述，讓學(xué)生體會守恒關(guān)系是自然界中客觀存在著的一種十分重要的關(guān)系，而能量概念的引入是科學(xué)前輩們追尋守恒量的一個重要事例.在上述認(rèn)識的基礎(chǔ)上再學(xué)習(xí)機械能守恒定律，逐步學(xué)會從能量的觀點和守恒的觀點來分析力學(xué)問題，有利于學(xué)生把關(guān)于機械能的具體知識進行提升，幫助他們逐步形成能量觀.在第4節(jié)結(jié)束時，教材安排了一段旁批，對能量觀進行了一個小結(jié)：“能量是人們研究物質(zhì)世界非常重要的一個物理量，是物質(zhì)運動的統(tǒng)一量度.物體運動雖然形式各異，但是每種運動都具有相應(yīng)的能量.能量及其轉(zhuǎn)化將各種運動統(tǒng)一、聯(lián)系起來.”

2.5 第5節(jié) 實驗：驗證機械能守恒定律

對于“驗證機械能守恒定律”這個實驗，雖然課程標(biāo)準(zhǔn)并沒有要求用“探究”的形式，但教材編寫時也注意體現(xiàn)探究的思想.例如，在設(shè)計實驗思路時，并不提供具體的實驗方案，而是提示“機械能守恒的前提是‘只有重力或彈力做功”，讓學(xué)生思考滿足這一條件的過程有哪些，在此基礎(chǔ)上形成自己的方案.又如，在參考案例“研究自由下落物體的機械能”中，沒有給出詳細的操作步驟，而針對實驗的關(guān)鍵提出需要注意的問題：“重物下落過程中，除了重力外會受到哪些阻力？怎樣減少這些阻力對實驗的影響？”“重物下落時，最好選擇哪兩個位置作為過程的開始和結(jié)束的位置？”學(xué)生需要評估不同做法的優(yōu)劣，并選擇適當(dāng)?shù)淖龇?

（收稿日期：2019-08-15）