基于核心素養(yǎng)的能量守恒定律的教學(xué)

張曉

一、能量守恒定律的概念進(jìn)階

對學(xué)生來說，能量守恒定律的學(xué)習(xí)主要有三個過程。

第一個過程是初中階段，學(xué)生初步認(rèn)識動能、勢能，也簡單了解化學(xué)能、太陽能等其它形式的能量，知道動能和勢能之間可以相互轉(zhuǎn)化，定性了解能量守恒，主要是機(jī)械能守恒，沒有定量計(jì)算，也沒有推理和論證。這是學(xué)生初步接觸能量守恒，初步認(rèn)識能量守恒，初步建立能量守恒的思想。

第二個過程是在高中物理必修2課程中，機(jī)械能部分，從功和能的角度論證了機(jī)械能守恒定律，涉及到了定量計(jì)算，與初中相比邏輯更嚴(yán)密，認(rèn)識更深刻，在教科版和人教版的教材中，隨后均安排了能量守恒定律的內(nèi)容及能源的開發(fā)與利用等內(nèi)容，進(jìn)行了適度的拓展和加深。與初中內(nèi)容相似，只是定量了，這就進(jìn)了一大步。這時(shí)的學(xué)生對能量守恒的認(rèn)識深刻了一些，也能用能量守恒定律分析和解決一些簡單的問題，對第一類永動機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的認(rèn)識會更深刻一些。

第三個過程是高中物理選修3-3課程中，熱力學(xué)定律與能量守恒部分，這個過程也是最重要的過程，是前面兩個過程的深化與拓展，是學(xué)生形成正確而全面的能量守恒思想的關(guān)鍵，無論是人教版還是教科版，教材都安排了豐富的內(nèi)容，主要是熱力學(xué)定律，從內(nèi)能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化的角度進(jìn)一步說明了能量守恒，同時(shí)，還告訴我們兩點(diǎn)，其一是能量轉(zhuǎn)化是有方向性的，比如熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體，在摩擦生熱的過程中機(jī)械能可以很容易轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不容易完全轉(zhuǎn)化成機(jī)械能而不引起其它變化，這就是熱力學(xué)第二定律;其二是能量是有品質(zhì)的，電能的應(yīng)用非常廣泛，風(fēng)能、水能是綠色無污染的能源，煤炭、石油是常規(guī)能源，污染比較嚴(yán)重，所以，盡管能量是守恒的，我們還一定要節(jié)約能源，為后人造福，強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。這就要求學(xué)生要有辯證的思想、洞察一切的眼光，全面深刻認(rèn)識能量守恒定律這一自然界的基本規(guī)律。

二、能量守恒定律的建立過程

（一）背景：各種類型的能量之間是可能相互轉(zhuǎn)化的

（二）能量守恒定律的創(chuàng)立過程

主要有三個代表人物：

1.邁爾（1814-1878）

德國的醫(yī)生，物理學(xué)家。邁爾從生理學(xué)的角度開始對能量進(jìn)行研究，他從“無不生有，有不變無”的哲學(xué)觀念出發(fā)，表達(dá)了對能量轉(zhuǎn)化和守恒思想，他分析了25種能量的轉(zhuǎn)化和守恒現(xiàn)象，成為世界上最先闡述能量守恒思想的人。

2.焦耳（1818-1889）

英國物理學(xué)家，焦耳對能量守恒的研究工作始于電流的熱效應(yīng)，1840年得到了焦耳定律，在此后30多年，先后做實(shí)驗(yàn)400多次，測得了大量數(shù)據(jù)，測出了熱功當(dāng)量的數(shù)值。這一結(jié)論為能量守恒定律建立了牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3.亥姆霍茲（1821-1894）

德國物理學(xué)家，1847年，在柏林物理學(xué)會議上，他分析了化學(xué)能、機(jī)械能、電磁能、光能等不同形式的能的轉(zhuǎn)化和守恒，并且把結(jié)果跟永動機(jī)不可能制造成功聯(lián)系起來，他認(rèn)為不可能無中生有的創(chuàng)造一個永久的推動力，機(jī)器能能轉(zhuǎn)化能量，不能創(chuàng)造和消滅能量。亥姆霍茲在論文里對能量守恒定律作了一個清晰、全面而且概括的論述，使這一定律為人們廣泛接受。

三、能量守恒定律的驗(yàn)證

（一）實(shí)驗(yàn)探究

我們做過驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)，是通過自由落體運(yùn)動過程中速度和位移的測量來驗(yàn)證機(jī)械能守恒，我們可以設(shè)置新的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證能量守恒。

比如：如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置，通過電流、電壓、時(shí)間的測量，計(jì)算消耗的電能，通過水溫的測量計(jì)算水吸收的熱量，兩者對比就可以得到能量守恒的結(jié)論。

（二）理論推導(dǎo)

對于機(jī)械能守恒，學(xué)生一般都能進(jìn)行理論推導(dǎo)驗(yàn)證，我們還可以創(chuàng)設(shè)一些新的情景，運(yùn)用我們學(xué)過的知識，通過理論論證能量是守恒的。

（三）永動機(jī)不能實(shí)現(xiàn)也是能量守恒定律的有力證據(jù)。可通過圖片展示各種永動機(jī)模型，比如右圖所示永動機(jī)模型，上面水槽中的水，從底部出水口流下時(shí)，沖擊葉片，葉片帶動水輪機(jī)，將下面水槽中的水抽到上面的水槽中，如此往復(fù)，永不停止。是這樣的嗎？不可能，葉片不可能帶動水輪機(jī)將水抽到高處。看似有道理的各類永動機(jī)都是不能實(shí)現(xiàn)的。

還可以讓學(xué)生觀看網(wǎng)上傳播的永動機(jī)視頻，讓學(xué)生明白一個道理，沒有任何能量消耗，卻源源不斷地向外輸出能量，這是絕不可能的，科學(xué)容不得半點(diǎn)虛假。

在實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)論證的基礎(chǔ)上，我們完全有理由相信，在任何能量轉(zhuǎn)化過程中，能量的總量一定保持不變，進(jìn)行了合理的外推后，我們就得到能量守恒定律了。

四、能量守恒定律的拓展與加深

在這節(jié)課的最后，我會拋出一個問題：既然能量是守恒的，能量總量即不會憑空消滅，也不會憑空產(chǎn)生，為什么還會有“能源危機(jī)”呢？這個問題請大家課后思考討論。

其實(shí)是想告訴學(xué)生，能量是有序的，不同形式能量的品質(zhì)是不一樣的，激發(fā)學(xué)生對后續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。