人教版《物理》“第十二章 電能 能量守恒定律”編寫說明

摘?要：概括介紹新版人教版《物理》第十二章的編寫說明，以使教師從核心素養(yǎng)角度進(jìn)行教學(xué).

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);編寫說明;電能;能量守恒定律

文章編號(hào)：1008-4134（2020）07-0005中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡介：梁旭（1962-），男，浙江上虞人，本科，中學(xué)特級(jí)教師，浙江省高中物理教研員，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)目標(biāo)、方法和策略.

1?全章概述

本章是必修課程的第十二章.新教材在整體設(shè)計(jì)時(shí)做了如何使知識(shí)有序和保持學(xué)習(xí)興趣方面的考慮，將“電路中的能量轉(zhuǎn)化”“閉合電路的歐姆定律”“測電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”這些電路中與能量相關(guān)的內(nèi)容與“能源與可持續(xù)發(fā)展”內(nèi)容整合成本章內(nèi)容.按照循序漸進(jìn)原則，新教材安排學(xué)生在上一章學(xué)習(xí)部分電路的概念和規(guī)律，在本章學(xué)閉合電路的概念和規(guī)律.閉合電路歐姆定律是部分電路歐姆定律的延伸，是整個(gè)電路部分的中心內(nèi)容，也是復(fù)雜電路分析的基礎(chǔ).

本章共4節(jié)內(nèi)容，基本概念和規(guī)律并不多，主要有電功、電功率、焦耳定律和能量守恒定律，這些內(nèi)容在初中也已經(jīng)涉及.在高中的學(xué)習(xí)中，著重點(diǎn)是這些知識(shí)的應(yīng)用.新教材第1節(jié)“電路中的能量轉(zhuǎn)化”的名稱不同于原教材的“焦耳定律”，“電路中的能量轉(zhuǎn)化”雖然也有電功、電功率和焦耳定律的知識(shí)內(nèi)容，但強(qiáng)化了對(duì)電動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化和功率關(guān)系的分析;第2節(jié)“閉合電路的歐姆定律”中應(yīng)用能量守恒定律推導(dǎo)了閉合電路的歐姆定律;第3節(jié)“實(shí)驗(yàn)：電源電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻的測量”中應(yīng)用閉合電路的歐姆定律設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，重點(diǎn)都是物理知識(shí)的應(yīng)用;第4節(jié)“能源與可持續(xù)發(fā)展”是與生活和社會(huì)緊密相關(guān)的內(nèi)容，新教材在能量守恒的基礎(chǔ)上，將能量觀念進(jìn)一步拓展到能量轉(zhuǎn)化的方向性上.本次教材的修訂力求體現(xiàn)物理學(xué)科的核心素養(yǎng).

1.1?物理觀念

能量觀是重要的物理觀念，電能是能量觀的重要組成內(nèi)容，電路中的能量轉(zhuǎn)化既是前一章知識(shí)的拓展，又是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的具體案例.原教材是用“電源兩極間電壓的大小是由電源本身的性質(zhì)決定的，為了表征電源的這種特性，物理學(xué)中引入了電動(dòng)勢(shì)的概念”直接引入電動(dòng)勢(shì)的概念.新教材“在電源內(nèi)部，電源移動(dòng)電荷，增加電荷的電勢(shì)能.在物理學(xué)中，我們用非靜電力所做的功與所移動(dòng)的電荷量之比來表示電源的這種特性，叫作電動(dòng)勢(shì)”強(qiáng)化了能量觀念.新教材關(guān)于“能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性”的討論，進(jìn)一步拓展了能量觀.

對(duì)于“閉合電路的歐姆定律”的探究，考慮到本實(shí)驗(yàn)探究對(duì)器材和技能要求較高，本章還有學(xué)生實(shí)驗(yàn)“測定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”，新教材仍延續(xù)從功能關(guān)系角度分析、推導(dǎo)這一思路，采用了從能量守恒這一普遍原理進(jìn)行演繹推導(dǎo)的方式，突出了能量觀念的運(yùn)用.新教材還用“能的轉(zhuǎn)化與守恒”的觀點(diǎn)分析解決閉合電路問題，不斷鞏固和深化能量觀.

1.2?科學(xué)思維

新教材編寫“電動(dòng)勢(shì)”這一內(nèi)容時(shí)，關(guān)注到了思維的發(fā)展性.讓學(xué)生經(jīng)歷從感性到理性，從個(gè)別到一般，從現(xiàn)象到本質(zhì)的漸進(jìn)過程.先是通過思考與討論引發(fā)與電場力進(jìn)行比較——電源之所以能維持外電路中穩(wěn)定的電流，是因?yàn)樗心芰Π沿?fù)極的正電荷經(jīng)過電源內(nèi)部不斷地搬運(yùn)至正極.那么，電源的這種能力是怎么來的呢？引出非靜電力概念.接著從功能關(guān)系和能量轉(zhuǎn)化的角度來理解電源功能——電源是通過非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能的裝置.在此基礎(chǔ)上定義電動(dòng)勢(shì)概念;后面是從全電路的電勢(shì)升降角度來理解電動(dòng)勢(shì);在此基礎(chǔ)上區(qū)分電動(dòng)勢(shì)、外電壓、內(nèi)電壓;最后是從內(nèi)涵到外延，引入感生電動(dòng)勢(shì)和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)（這并不是新課教學(xué)的目標(biāo)，而是學(xué)完電磁感應(yīng)后知識(shí)整合時(shí)的教學(xué)目標(biāo)）.在應(yīng)用知識(shí)解決問題時(shí)，特別關(guān)注了科學(xué)思維方法的運(yùn)用，如在涉及電動(dòng)機(jī)問題時(shí)，有如下的思考與討論：“當(dāng)電動(dòng)機(jī)接上電源后，會(huì)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，這里涉及哪些功率？功率間的關(guān)系又如何？”引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)主要、次要因素，建立電動(dòng)機(jī)功率間的關(guān)系.

1.3?科學(xué)探究

“測定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”是本章的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn).新教材對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的編寫，體現(xiàn)了統(tǒng)一、基本的實(shí)驗(yàn)要求和靈活、多樣的實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合的指導(dǎo)思想.

新教材在編寫時(shí)拓展了實(shí)驗(yàn)方法，使其從特殊向一般轉(zhuǎn)化，有利于學(xué)生靈活把握實(shí)驗(yàn)原理，也有利于因地制宜選擇實(shí)驗(yàn)器材.究竟用哪一種具體的實(shí)驗(yàn)方法和器材來測量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，新教材沒有提出單一的實(shí)驗(yàn)方案，而是給出了兩個(gè)參考案例，提供了三種電路圖供老師和學(xué)生根據(jù)實(shí)際情況選擇，體現(xiàn)了對(duì)科學(xué)探究的注重，引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

1.4?科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

新教材第4節(jié)“能源與可持續(xù)發(fā)展”，討論了“能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性”“能源與環(huán)境”“能源與社會(huì)發(fā)展”及“STSE?汽車和能源”等內(nèi)容，有助于使學(xué)生認(rèn)識(shí)到目前面臨的能源與環(huán)境問題，理解開發(fā)利用清潔能源的價(jià)值，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)汽車能源消耗、環(huán)境污染和未來汽車發(fā)展方向的認(rèn)識(shí)，著力讓學(xué)生在理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，形成應(yīng)有的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感.

課時(shí)安排建議

第1節(jié)?電路中的能量轉(zhuǎn)化?1課時(shí)

第2節(jié)?閉合電路的歐姆定律?1課時(shí)

第3節(jié)?實(shí)驗(yàn)：電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測量2課時(shí)

第?4節(jié)?能源與可持續(xù)發(fā)展?1課時(shí)

2?具體說明

（1）第1節(jié)“電路中的能量轉(zhuǎn)化”是在電場知識(shí)和能量守恒定律的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)電功、電功率和焦耳定律，在電場和電路情境下培養(yǎng)學(xué)生的能量觀念.新教材以節(jié)前問題“你知道這些用電器中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的嗎？”引發(fā)學(xué)生思考，然后通過實(shí)例讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到“電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，是通過電流做功來實(shí)現(xiàn)的”，深化了學(xué)生對(duì)“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”的認(rèn)識(shí).接下來指出電流做功的實(shí)質(zhì)是導(dǎo)體中的恒定電場對(duì)自由電荷的靜電力在做功.進(jìn)而利用電場的知識(shí)推導(dǎo)電功的表達(dá)式.教材沒有通過實(shí)驗(yàn)歸納得到焦耳定律，而是從能量守恒定律分析得出的，這里又一次應(yīng)用了功能關(guān)系的思想，強(qiáng)化了能量觀念.

新教材從能量轉(zhuǎn)化和守恒的角度分析了包含電動(dòng)機(jī)的電路中的能量轉(zhuǎn)化，為學(xué)生深入理解能量守恒定律提供具體案例，有利于學(xué)生區(qū)分純電阻電路與非純電阻電路，區(qū)分公式W=UIt、Q=I2Rt的物理意義，細(xì)化了能量觀念.

（2）第2節(jié)“閉合電路的歐姆定律”是本章的重要內(nèi)容，本節(jié)內(nèi)容包括電動(dòng)勢(shì)概念、閉合電路的歐姆定律以及應(yīng)用該定律分析路端電壓與負(fù)載的關(guān)系.原教材把電動(dòng)勢(shì)和閉合電路的歐姆定律這兩個(gè)內(nèi)容分兩節(jié)編排，而且兩節(jié)之間又穿插了其他內(nèi)容.新教材把這兩個(gè)內(nèi)容合為一節(jié)，其目的是在電動(dòng)勢(shì)的概念之后立即推導(dǎo)閉合電路的歐姆定律，增強(qiáng)了知識(shí)的連貫性.另外，閉合電路的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)、外電阻分別對(duì)應(yīng)“把其他形式能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能”和“把電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其他形式能”，使學(xué)生對(duì)閉合電路的能量轉(zhuǎn)化和守恒有了完整、清晰的認(rèn)識(shí).

教材首先通過節(jié)前“問題”引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化的角度認(rèn)識(shí)電源，建立閉合電路模型.電動(dòng)勢(shì)概念因其的抽象性成為本章的重點(diǎn)和難點(diǎn).新教材不再與水泵進(jìn)行“類比”，首先從電源的作用入手，通過對(duì)整個(gè)閉合電路各部分電荷分布、電場分布以及電荷在電場中和電源中受力和運(yùn)動(dòng)的分析，提出了“非靜電力”的概念，力求使學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維的方法認(rèn)識(shí)非靜電力在電路中所起的作用，在此基礎(chǔ)上“用非靜電力所做的功與所移動(dòng)的電荷量之比來表示電源的這種特性，叫作電動(dòng)勢(shì)”建立電動(dòng)勢(shì)的概念.

新教材重視電源模型和閉合電路模型的建構(gòu).在此基礎(chǔ)上明確內(nèi)電路、外電路、內(nèi)阻等概念.在閉合電路模型的基礎(chǔ)上，新教材運(yùn)用電動(dòng)勢(shì)概念和能量守恒定律推導(dǎo)出了閉合電路的歐姆定律，并用于分析路端電壓與負(fù)載的關(guān)系.考慮到本章為必修內(nèi)容，為了不增加學(xué)生負(fù)擔(dān)，新教材把歐姆表原理作為“拓展學(xué)習(xí)”內(nèi)容，不要求全體學(xué)生必學(xué).

（3）第3節(jié)是“實(shí)驗(yàn)：電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測量”，本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)閉合電路的歐姆定律來測量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，通過實(shí)驗(yàn)既可以深化對(duì)定律的認(rèn)識(shí)，又可以理解電動(dòng)勢(shì)測量和用圖象處理數(shù)據(jù)的方法，還可訓(xùn)練操作技能，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度.

實(shí)驗(yàn)原理是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本實(shí)驗(yàn)不管用哪種實(shí)驗(yàn)方法和器材，原理都是閉合電路的歐姆定律，測出除電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻以外的物理量，利用圖象或計(jì)算，求出電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻.閉合電路的歐姆定律的表達(dá)式可以寫成多種方式，通過測量U和I、或者U和R、或者I和R等都可以求得電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻.新教材“請(qǐng)你思考并提出一兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案”引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì).新教材提供了三種實(shí)驗(yàn)思路，并就第一種思路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的詳細(xì)分析，最后給出測量干電池和水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的兩個(gè)參考案例.

關(guān)于測量與數(shù)據(jù)處理，新教材提出了“是否只需測量兩組U、I?數(shù)據(jù)，聯(lián)立方程解得E?和?r?就行呢？”這一問題，明確指出了理論思考與實(shí)驗(yàn)測量的差異.新教材指出：只測量兩組數(shù)據(jù)，通過聯(lián)立方程解得?E?和?r，看起來比較簡單，誤差卻可能較大.只有多次測量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，才能減小誤差.所以，應(yīng)該使用滑動(dòng)變阻器改變外電路的電阻，進(jìn)行多次測量.

（4）第4節(jié)“能源與可持續(xù)發(fā)展”從能量耗散的角度提出了能源與環(huán)境問題，介紹了我國在新能源開發(fā)方面取得的成就.通過關(guān)注技術(shù)應(yīng)用帶來的社會(huì)問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)參與意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感.引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)以及科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境（STSE）間的關(guān)系，形成科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀.

新教材以節(jié)前問題“既然能量是守恒的，不會(huì)憑空消失，為什么我們還要節(jié)約能源呢？”和思考與討論“是否可能發(fā)生這樣的現(xiàn)象：原來溫度相同的水和雞蛋，過一會(huì)兒水的溫度自發(fā)地降低，而雞蛋的溫度上升？”揭示自然界的宏觀過程都具有方向性的規(guī)律.通過對(duì)多種能量轉(zhuǎn)化案例的分析，得到“我們很難把這些內(nèi)能收集起來重新利用.這種現(xiàn)象叫作能量的耗散.”引出能量耗散概念.接著新教材分析了當(dāng)今社會(huì)的能源和環(huán)境問題，介紹我國在尋找清潔能源方面取得的成就，最后總結(jié)能源與社會(huì)發(fā)展的關(guān)系以及目前能源利用的發(fā)展方向.“STSE”欄目通過介紹汽車行駛時(shí)的功率分配比例，著意讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到汽車在大量消耗能源的同時(shí)也給環(huán)境帶來污染，同時(shí)介紹了我國關(guān)于新能源汽車的發(fā)展規(guī)劃.

（收稿日期：2019-12-10）