重視過程方法　追尋守恒觀念

[摘 要]學(xué)生學(xué)習(xí)的過程不僅僅是掌握基本物理知識的過程，更應(yīng)該是建立物理觀念，提升境界，享受快樂的過程。在物理課堂教學(xué)過程中，我們要關(guān)注知識學(xué)習(xí)的過程與方法，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程和對新知識的思維過程，讓學(xué)生在理解知識的同時，感悟相應(yīng)的物理思想方法，最終提高學(xué)生的物理學(xué)科綜合能力。文章以《追尋守恒量——能量》一節(jié)為例，讓學(xué)生走進生活，體驗?zāi)芰拷⒌倪^程，追尋大自然最基本的守恒定律——能量守恒定律。教師在本節(jié)課的教學(xué)過程中，應(yīng)重視過程方法，引導(dǎo)學(xué)生追尋守恒觀念，使學(xué)生能夠應(yīng)用能量的觀念鑒賞生活之美。

[關(guān)鍵詞]物理觀念;過程方法;追尋守恒;能量觀念

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2020）20-0030-03

物理學(xué)科素養(yǎng)中，有兩個基本觀念，一是力與運動的觀念，二是能量的觀念。《追尋守恒量——能量》旨在從最基本的守恒量出發(fā)，讓學(xué)生建立能量觀念，并將這種物理觀念滲透到整個高中物理學(xué)習(xí)中。大自然所賦予的守恒是自然界的重要規(guī)律，領(lǐng)悟能量在轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化過程中動態(tài)守恒的思想，理解重力勢能和動能的概念，領(lǐng)會尋找守恒量是科學(xué)研究中最重要的理念思想。最終讓學(xué)生走進生活中的物理，用物理知識分析生活中有關(guān)機械能轉(zhuǎn)化的問題。但很多教師在上這一節(jié)時，不上或者匆匆過去?？v觀物理學(xué)的整個發(fā)展過程，能量的概念幾乎是與人類認識能量守恒同步發(fā)展起來的。能量的概念為什么這么重要，就是因為它是個守恒量，而守恒關(guān)系是大自然中最重要的一類關(guān)系。能量進進出出，物質(zhì)世界變化萬千，在不斷的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移的過程中能的總量保持不變，這是大自然最基本的守恒定律。這一節(jié)課的物理教學(xué)是讓學(xué)生從一個最高的境界，建立守恒的觀念，從能量守恒觀的高度認識問題。分析探討物理過程與相關(guān)的思想方法，最重要的特征就是讓學(xué)生親身體驗，并思考感悟，無用之用是為大用，我們覺得《追尋守恒量——能量》是一節(jié)好課，教師應(yīng)讓學(xué)生重視過程方法，追尋守恒觀念。在實際教學(xué)中，可以從以下幾個方面開展教學(xué)。

一、運用理想斜面，開展物理教學(xué)，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力

猜想與假設(shè)是研究物理學(xué)的重要方法，回憶物理學(xué)的發(fā)展進程，科學(xué)家正是利用了這種方法得出了一個又一個的物理規(guī)律。學(xué)生可回憶在牛頓第一定律學(xué)習(xí)中的伽利略理想斜面實驗，從中領(lǐng)悟猜想與假設(shè)的魅力，啟迪科學(xué)思維。伽利略假設(shè)了一個理想實驗，如圖1所示。

1.定性分析理想斜面實驗，啟迪學(xué)生思維

在學(xué)習(xí)牛頓第一定律時，有一個理想斜面實驗，我們可欣賞小球先生與伽利略的一段對白，通過這些對話可領(lǐng)悟到科學(xué)方法的重要性。

伽利略：假設(shè)沒有摩擦和空氣阻力，小球先生，你會爬上怎樣的高度呢？

小球：我心中有一個中國夢，會一步一步往上爬，一直上升到夢想中的高度。

伽利略：當(dāng)我將右邊斜面的傾角減小，你還能爬到原有的高度嗎？

小球：夢想有多高，我當(dāng)然就要爬多高，只不過我所走的路程就更長遠了。

伽利略：在原來傾角的基礎(chǔ)上，如果我將右邊斜面的傾角繼續(xù)減小，你還有什么想法嗎？

小球：我已下定決心，必將朝著既定的目標前進，只是我又多走了更遠的路程。

伽利略：如果直接把斜面放平，變成水平面，那么你還要繼續(xù)為自己所定的夢想中的高度而前行嗎？

小球：我既然選擇了高度，就將一直前行，將孤獨的背影留給世界……

在這段對白中，我們感覺到這個滾動的小球非常有靈性，是一個有夢想有追求的小球，為實現(xiàn)自己的目標一直前行。它有一種特殊的記憶，當(dāng)小球從斜面運動到水平位置時，總是夢想回到原來的高度，當(dāng)前方是另一個斜面時，小球的愿望很快得以實現(xiàn)，如果一直都是水平面，那么小球就帶著一定要回到原來高度的這個夢想一直運動下去。

2.運用數(shù)學(xué)知識，定量計算探討，提升學(xué)生思維的嚴謹性

數(shù)學(xué)是美的，而物理的內(nèi)涵非常豐富。實際教學(xué)中，我們可通過數(shù)學(xué)精確計算伽利略理想斜面中小球上升的高度。設(shè)兩個光滑斜面的傾角分別為[θ1]和[θ2]，讓小球從第一個斜面高度為h處靜止釋放，請通過運動學(xué)公式計算說明小球到達另一個斜面的高度是相同的。

小球做勻加速運動的加速度為：

[a1=gsin θ1]

在第一個斜面上勻加速運動的距離為：

[s=hsin θ1=v22a1]

上式中的速度v是小球到達斜面底端時的速度。

小球滑上另一個斜面時做勻減速直線運動，其加速度為：

[a2=-gsin θ2]

小球沿著第二個斜面運動的最大高度為[h′]，則小球在第二個斜面上勻減速運動的距離為：

[s=h'sin θ2=0-v22a2]

由以上四式解得，小球到達另一個斜面的高度[h′=h]。

因此，如果兩個斜面都是光滑的，當(dāng)小球運動到另一斜面的相同高度時，速度為零，感覺小球先生記得自己的起始高度，然后一上一下重復(fù)前面的運動。通過上面的觀察、分析、推理，從感性認識上升到理性認識，實現(xiàn)認識上的飛躍。

3.關(guān)注物理過程，追尋能量守恒

問題1.小球在斜面上運動的過程中是否存在一個不變的量或者是守恒量？這個量可能是什么呢？

回答1：運動過程中小球的質(zhì)量保持不變。（對，質(zhì)量不變，但質(zhì)量是小球本身的屬性，不運動，質(zhì)量也是不變的，所以與運動過程和狀態(tài)無關(guān)，不能反映運動過程規(guī)律）

回答2：在斜面上運動的過程中，高度不變或者是說高度守恒。（我們只知道小球在斜面上運動的整個過程中，初、末兩個狀態(tài)的高度是不變的，而在小球的運動過程中，高度是在不斷變化的，根本不能說明“高度守恒”）

回答3：運動過程中的總能量守恒。（伽利略等物理學(xué)家當(dāng)時在研究時還沒有建立“能量”這個概念）

回答4：小球運動的過程中，高度和速度都是在不斷變化的，當(dāng)小球沿斜面向下運動時高度減小，而速度就增大;反之，小球沿斜面向上運動時高度增大，速度就減小。那么我們可以設(shè)想“高度與速度”加起來可能守恒。但是，高度與速度的單位不一樣，不屬于同一類物理量，是不可以直接相加的，其大小相加是沒有任何物理意義的。

回答5：在斜面上運動時高度和速度是不能直接相加的，但是我們可以找一個與高度有關(guān)的量[f（h）]和一個與速度有關(guān)的量[f（v）]加起來是守恒的，即[f（h）+f（v）]可能守恒。（這個想法很有道理，是個很有創(chuàng)意的猜想）

問題2.我們要找兩個函數(shù)，一個是與高度有關(guān)的量[f（h）]，另一個是與速度有關(guān)的量[f（v）]，它們必定要有什么特征？

回答1：這兩個量的量綱必須相同，也就是說同一類物理量具有相同的單位。

回答2：小球在運動過程中某個物理量要守恒（不變），而守恒（不變）就意味著在兩個狀態(tài)存在某種等式。如果存在這種等式，那這個等式的兩邊所對應(yīng)的“量”必然是單位相同的，是同一類“物理量”。

問題3.我們已學(xué)習(xí)了很多運動學(xué)公式，在這些公式中是否有涉及位移x與速度v關(guān)系的等式？

回答1：有，如果小球從靜止開始在斜面上運動，有[v2=2 gsin α?s=2gh]，從而可以得出：[v2=2gh]或 [v22=gh]。

回答2：進一步猜想， 跟高度有關(guān)的量可能是2gh或gh，跟速度有關(guān)的量可能是v2或[v22]，那么對一定的小球v2與2gh之和是守恒的，或[v22+gh]可能是守恒的。

問題4.如果伽利略理想斜面實驗中，小球不是沿斜面運動，而是沿曲面運動，小球能否到達相同的高度？[v22+gh]是否守恒的？理由是什么？

回答1：可以把曲面無限分割，用微元法分析;也可以用單擺來驗證。同樣在運動過程中有一個量是守恒、不變的?？茖W(xué)家把這個守恒的量叫作能量或能。

問題5.物體在運動過程中的能量是否只跟[v22+gh]有關(guān)呢？如果伽利略理想斜面實驗中，用不同的小球，例如一次用小的乒乓球，一次用大的鉛球，你認為兩次運動的能量會相同嗎？

回答1：不會相同。（可以啟發(fā)學(xué)生思考：讓乒乓球從天花板掉下，你可以用頭頂一下;讓鉛球從天花板掉下，你敢用頭頂嗎？）可見，這個守恒量（能量）還跟物體的質(zhì)量也有關(guān)，質(zhì)量越大，守恒量（能量）也越大。

回答2： 小球可沿斜面運動，也可以沿曲面運動，一個與質(zhì)量有關(guān)、跟[v2]與[2gh]之和或[v22與gh]之和有關(guān)的量（能量）在小球運動過程中是守恒的。（這個猜想很合理，具體的定量研究，我們以后有機會再研究）

回答3：物理學(xué)上我們把其中跟高度h有關(guān)的能量叫重力勢能，與速度v有關(guān)的能量叫動能。當(dāng)釋放小球后，小球沿斜面下降，位置降低，高度不斷減小，小球的勢能在不斷減小，而小球的速度增大，小球的動能增大。當(dāng)小球到達斜面底部時，小球的重力勢能最小，速度達到最大，動能達到了最大，小球在運動過程中，動能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化。

問題6.在伽利略理想斜面實驗中如果存在阻力的情況下，能量還守恒嗎？

回答1：不守恒。動能與重力勢能之和叫作機械能，由于有阻力作用，動能與勢能之和是不守恒的，也就是機械能不守恒，因為機械能還要轉(zhuǎn)化為克服阻力做功而產(chǎn)生的內(nèi)能，但是總的能量還是守恒的。

問題7.能量的存在形式很多，你知道有哪些能量的形式？

回答1：機械能、電能、熱能、化學(xué)能、電磁能、光能、原子能等。同種形式的能可以相互轉(zhuǎn)移，不同形式的能之間也是可以相互轉(zhuǎn)化的。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者費恩曼曾說過：“有這樣一個事實，如果你愿意，也可以說一條定律，支配著至今所知的一切自然現(xiàn)象……這條定律稱作能量守恒定律。它指出有某一個量，我們把它稱為能量，在自然界經(jīng)歷的多種多樣的變化中它不變化，那是一個最抽象的概念……”

二、引導(dǎo)學(xué)生走進生活，體會能量守恒觀念

事物在發(fā)生、變化、發(fā)展的過程中，有些東西或某些量是保持不變的，這種現(xiàn)象叫作守恒，能量就是這樣的一個守恒量，能量不會憑空消失，也不會無中生有，但會以不同的形式存在，可以轉(zhuǎn)化為另一形式存在。守恒現(xiàn)象（包括能量守恒）在社會、生活和自然界中普遍存在。

實例：

（1）數(shù)學(xué)中的解方程：[x+3=10]，則x = ？? ? ?（答案：x=7）

（2）現(xiàn)在有一升橙汁，要裝滿50毫升的杯子，請問能裝幾杯？? ? ? ? ? （答案：20杯）

（3）完成鐵在氧氣中燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式：3Fe + （） [點燃] Fe3O4。? ? ? ? ? ?（答案：2O2）

（4）用絲綢摩擦過的玻璃棒帶什么電荷？如果玻璃棒帶了+2庫侖的電荷，那么絲綢帶多少電荷？? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（答案： 正電荷 -2庫侖）

（5）在一個盛滿水的容器內(nèi)放入一塊冰。在冰的融化過程中，容器內(nèi)的水會溢出嗎？ （答案：不 會）

（6） 在一個大熱天，小強和小明待在小強家里玩游戲，兩人熱得滿頭大汗，可小強家里沒有空調(diào)，怎么辦呢？最后還是小明反應(yīng)快，他對小強說：“你家不是有冰箱嗎，咱們把冰箱的門開著，不就可以降溫了嗎！”于是，他們把門窗關(guān)好，把冰箱門開著，他們能達到預(yù)期的效果嗎？（利用生活事實激發(fā)學(xué)生的好奇心，用能量守恒定律理解生活中的物理現(xiàn)象）

這六個例子分別運用了數(shù)的守恒、體積的守恒、原子的守恒、電荷的守恒和質(zhì)量的守恒，最終上升到能量守恒定律，說明守恒現(xiàn)象是普遍存在的，它指導(dǎo)我們生活，伴隨我們成長。在第六個例子中，把門窗關(guān)好，把冰箱門開著，把整個房間作為研究系統(tǒng)，消耗了電能，這個電能轉(zhuǎn)化為整個房間的熱能，起不到制冷的效果，最終導(dǎo)致房間的溫度是升高的。著名心理學(xué)家皮亞杰對人的成長做過詳細的追蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)兒童對于數(shù)的守恒，大概在5到6歲之間形成。之后是重量守恒（9～10歲）、體積守恒（11～12歲）。到了初中，化學(xué)反應(yīng)上的原子守恒等依次建立起來，到了高中呢？應(yīng)當(dāng)會有更深層次認識了，學(xué)生要從更高境界來認知能量守恒定律。在物理學(xué)領(lǐng)域中，很多著名的物理學(xué)家也正是利用守恒思想找到了許多規(guī)律。

三、能量守恒，至高境界

物理觀念是高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，學(xué)生們在學(xué)習(xí)物理知識，走進生活的過程中，時刻都沐浴在物理觀念的教育之中。教師應(yīng)該認識到物理觀念的重要意義，認識到學(xué)生讀書最寶貴的收益恰恰是我們在今天稱之為物理學(xué)科素養(yǎng)的東西。在落實物理學(xué)科素養(yǎng)目標的過程中，知識不僅是傳統(tǒng)意義上的課程內(nèi)容，它還是知識學(xué)習(xí)內(nèi)化為潛質(zhì)、潛質(zhì)外化為人的外顯行為的“介質(zhì)”?！蹲穼な睾懔俊芰俊返慕虒W(xué)，應(yīng)該更加關(guān)注過程與方法，關(guān)注能量守恒觀念形成的各個教學(xué)環(huán)節(jié)。通過這節(jié)課的教學(xué)，讓學(xué)生了解了科學(xué)的研究方法，體驗了猜想與假設(shè)的重要意義和科學(xué)的思維過程，促使學(xué)生形成守恒的觀念。重視過程方法，追尋守恒觀念，讓學(xué)生認識到能量守恒思想對人類社會發(fā)展的影響，為他們形成科學(xué)的世界觀和科學(xué)價值觀打下堅實的基礎(chǔ)。在生產(chǎn)與生活，在工作和科學(xué)探究的實踐過程中，我們也要運用“能量守恒”這一最基本的源于大自然的守恒規(guī)律，用科學(xué)知識、科學(xué)思想、科學(xué)方法和科學(xué)精神戰(zhàn)勝偽科學(xué)。廣大物理教師有責(zé)任讓每一個學(xué)生建立能量守恒的觀念，并能運用這個觀念觀察分析自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象，提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 徐秀珍. “追尋守恒量”教學(xué)設(shè)計[J].物理通報，2012（3）：59-61.

[2]? 陶漢斌. 從“物理觀念”的視角賞析選考物理試題[J].中學(xué)教學(xué)參考，2018（8）：36-40.

（責(zé)任編輯 易志毅）