“能量觀”及其教學(xué)范式的探討

張伶霞

(首都師范大學(xué)物理系 北京 100048)

1 問(wèn)題的提出

2017年12月《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》正式提出了物理學(xué)科核心素養(yǎng).能量觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)三大基本觀念之一，一線教師以“能量觀”為主線作為一種物理教學(xué)指導(dǎo)思想的意識(shí)已初現(xiàn)萌芽，但仍存在不廣泛、不全面、不深刻、不系統(tǒng)、不得法等問(wèn)題.究其原因，主要包括以下3點(diǎn)：(1)“能量觀”的內(nèi)涵不明確；(2)“能量觀”涉及的具體教學(xué)內(nèi)容在教材和教學(xué)指導(dǎo)意見(jiàn)中體現(xiàn)得不具體、不全面、不契合；(3)“能量觀”的教學(xué)策略不清晰.本文界定了“能量觀”和“能量觀”教學(xué)范式的內(nèi)涵，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了“能量觀”教學(xué)范式的探討.

2 “能量觀”和“能量觀”教學(xué)范式的內(nèi)涵

2.1 “能量觀”

2018年人民教育出版社出版的普通高中教科書(shū)(簡(jiǎn)稱(chēng)“新教材”)《物理·必修2》中闡釋?zhuān)芰渴侨藗冄芯课镔|(zhì)世界非常重要的一個(gè)物理量，是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一量度.物體運(yùn)動(dòng)雖然形式各異，但是每種運(yùn)動(dòng)都具有相應(yīng)的能量.能量及其轉(zhuǎn)化將各種運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一、聯(lián)系起來(lái).能量對(duì)于科學(xué)研究和日常生活有著巨大的影響，但要用一句話說(shuō)清楚能量究竟是什么卻非易事.能量概念的引入是科學(xué)前輩們追尋守恒量的一個(gè)重要事例.目前,人們對(duì)能量認(rèn)識(shí)大體可以歸納為：對(duì)能量本質(zhì)的認(rèn)識(shí)、對(duì)能量形式及其分類(lèi)的認(rèn)識(shí)、對(duì)能量轉(zhuǎn)換的認(rèn)識(shí)、對(duì)能量耗散的認(rèn)識(shí)以及對(duì)能量守恒等概念和規(guī)律的認(rèn)識(shí)[1].因此，物理能量觀念包含了能量本質(zhì)觀、能量形式觀、能量轉(zhuǎn)化觀、能量耗散觀和能量守恒觀5部分，能量觀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 能量觀結(jié)構(gòu)圖

2.2 “能量觀”教學(xué)范式

“能量觀”物理教學(xué)是一種在特定教學(xué)思想指導(dǎo)下的教學(xué)，是指教師在實(shí)施物理這門(mén)特殊科學(xué)的教學(xué)活動(dòng)中，在闡述、講解、分析、歸納和應(yīng)用物理知識(shí)的教學(xué)活動(dòng)中，在指導(dǎo)學(xué)生分析、處理問(wèn)題過(guò)程中，始終運(yùn)用“能量”的觀點(diǎn)來(lái)引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生的思維，并用“能量”把物理問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，高效簡(jiǎn)潔地解決問(wèn)題，并形成物理意識(shí)的教學(xué)活動(dòng)[2].

如何運(yùn)用“能量觀”啟發(fā)思維進(jìn)行教學(xué)呢？我們需要將能量觀的5部分分為3個(gè)層次：第一層(內(nèi)容)，能量的要素，包含研究對(duì)象在研究過(guò)程中具有的能量形式和能量本質(zhì)，該層次是用能量觀分析問(wèn)題的第一步，起奠基作用；第二層(策略)，能量形式變換的路徑，包含能量轉(zhuǎn)化和能量耗散，展現(xiàn)初態(tài)的能量通過(guò)什么方式去往何方；第三層(思想)，能量變換統(tǒng)一遵循的規(guī)律，即能量守恒，在能量觀中起統(tǒng)領(lǐng)作用.基于以上分析，本文提出了“能量觀”教學(xué)范式的金字塔模型，如圖2所示.

圖2 “能量觀”教學(xué)范式

3 “能量觀”在各個(gè)模塊中的具體體現(xiàn)

能量觀在高中物理力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、量子力學(xué)等模塊中都有重要體現(xiàn)，是學(xué)生認(rèn)識(shí)物理世界的一條重要主線.新教材和課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“能量觀”的體現(xiàn)不是完全契合，且不夠全面和具體.本文梳理了能量觀在各個(gè)模塊中的主要體現(xiàn)，可作為教學(xué)的參考，如表1所示.

表1 能量觀在各個(gè)模塊中的主要體現(xiàn)

4 “能量觀”教學(xué)范式的示例

4.1 第二宇宙速度的推導(dǎo)

我們知道，第二宇宙速度是使物體脫離地球引力束縛的最小發(fā)射速度.在新教材《物理·必修2》第64頁(yè)“科學(xué)漫步”專(zhuān)欄是關(guān)于“黑洞”的介紹，展示了第二宇宙速度的表達(dá)式，但并未進(jìn)行推導(dǎo)，課程標(biāo)準(zhǔn)和近年的高考大綱中也沒(méi)有對(duì)該部分提出教學(xué)要求.從知識(shí)上來(lái)講，“第二宇宙速度”似乎超綱了，但從能力的角度看，從能量觀推導(dǎo)第二宇宙速度卻并未超綱.由于“功和能”在教材中被安排在第二宇宙速度之后，所以學(xué)生在新課中不具備推導(dǎo)第二宇宙速度的基礎(chǔ)，建議在復(fù)習(xí)課或能量觀專(zhuān)題課中以“如何發(fā)射脫離地球束縛的人造衛(wèi)星”為問(wèn)題情景進(jìn)行推導(dǎo)，如例1,在牛頓力學(xué)體系中，求解“黑洞”半徑是以第二宇宙速度的推導(dǎo)為基礎(chǔ)的，因此，也可以開(kāi)展以求“黑洞”半徑為問(wèn)題情景、以能量觀為主線、以“第二宇宙速度”的推導(dǎo)為基礎(chǔ)的進(jìn)階拓展學(xué)習(xí).

解析：設(shè)地球質(zhì)量為M，人造衛(wèi)星的質(zhì)量為m，人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度為v.

第一層：人造衛(wèi)星在發(fā)射時(shí)具有動(dòng)能和引力勢(shì)能，在脫離地球束縛時(shí)(無(wú)窮遠(yuǎn)處)機(jī)械能為零.

第二層：人造衛(wèi)星在發(fā)射后，萬(wàn)有引力做負(fù)功將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為引力勢(shì)能.

第三層：根據(jù)能量守恒定律可知，人造衛(wèi)星在地球表面時(shí)的動(dòng)能與勢(shì)能之和等于在無(wú)窮遠(yuǎn)處動(dòng)能與勢(shì)能的總和.即

又因?yàn)?/p>

所以

4.2 閉合電路歐姆定律的推導(dǎo)

閉合電路歐姆定律的教學(xué)屬于規(guī)律教學(xué)，邏輯推理是建立物理規(guī)律的主要方法之一.邏輯推理法是在已有定律的基礎(chǔ)上結(jié)合一些概念，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)推理論證而得出結(jié)論的方法.而能量守恒定律恰好是學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容時(shí)學(xué)生的已有認(rèn)知，通過(guò)已有認(rèn)知進(jìn)行新知建構(gòu)符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，且是滲透能量觀和培養(yǎng)邏輯推理能力較為適切的載體.因此，可在新課教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)物理情境，通過(guò)學(xué)生活動(dòng)完成由能量守恒定律推導(dǎo)閉合電路歐姆定律，具體方案如例2所示.

【例2】在圖3所示的電路中，電源電動(dòng)勢(shì)為E，電源內(nèi)阻為r，外電路電阻為R，閉合電路的電流為I.請(qǐng)你根據(jù)能量守恒定律推導(dǎo)：電源電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上與內(nèi)、外電路電勢(shì)降落之和的關(guān)系.

圖3 例2題圖

解析：

第一層：能量形式包括電源內(nèi)部其他形式的能、電源生成的電能、R產(chǎn)生的電熱、r產(chǎn)生的電熱.

第二層：能量轉(zhuǎn)化的方式為非靜電力做功將電源內(nèi)其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，電流做功將電源的電能轉(zhuǎn)化為R產(chǎn)生的電熱和r產(chǎn)生的電熱.

第三層：根據(jù)能量守恒，非靜電力做功W產(chǎn)生的電能等于在外電路和內(nèi)電路產(chǎn)生的總電熱，即

W=Q內(nèi)+Q外

因?yàn)?/p>

W=Eq=EIt

Q內(nèi)+Q外=I2rt+I2Rt

所以

EIt=I2rt+I2Rt

即

E=Ir+IR=U內(nèi)+U外

電源電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于內(nèi)、外電路電勢(shì)降落之和.

4.3 光的反射與折射中能量的分配

4.3.1 定性分析

新教材《物理·選擇性必修1》第85頁(yè)的演示實(shí)驗(yàn)“觀察全反射現(xiàn)象”，如圖4所示，讓光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的平直的邊上，在這個(gè)邊與界面上發(fā)生反射和折射.逐漸增大入射角，觀察反射光線和折射光線的變化.

圖4 觀察全反射現(xiàn)象

我們觀察到，當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，同時(shí)發(fā)生折射和反射.如果入射角逐漸增大，折射光線離法線會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)，而且越來(lái)越弱，反射光卻越來(lái)越強(qiáng).教師可通過(guò)分析光的強(qiáng)弱反映了光能量的大小，引導(dǎo)學(xué)生用能量觀分析光現(xiàn)象.

4.3.2 定量研究

對(duì)于具備條件的學(xué)校，可根據(jù)學(xué)情選擇是否做反射光與折射光能量分配的定量研究，作為課外拓展活動(dòng).例如，光線以不同入射角i從空氣入射到水中(n=1.33)，反射光與折射光的能量分配情況見(jiàn)表2和圖5[3].反射光能量與折射光能量的總和不變，等于入射光的能量，符合能量守恒定律.

表2 反射光與折射光的能量分配

圖5 光從空氣中入射到水面時(shí)的反射光和折射光的能量分配圖像

4.4 楞次定律的解釋

新教材《物理·擇性必修2》對(duì)楞次定律是這樣闡述的：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.這里的“阻礙”主要理解為對(duì)磁通量變化的阻礙.在其他版本的教材中，“阻礙”也可理解為阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即從力的角度對(duì)楞次定律進(jìn)行闡述.表面上看，這些阻礙只是作為判斷感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向關(guān)系的紐帶，而內(nèi)里卻體現(xiàn)了電磁感應(yīng)過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化與守恒思想，這一點(diǎn)往往容易被忽視.新教材對(duì)這一部分還進(jìn)行了補(bǔ)充：感應(yīng)電流沿著楞次定律所述的方向，是能量守恒定律的必然結(jié)果.

那么，如何由能量守恒定律判斷感應(yīng)電流的方向呢？例如：將條形磁鐵的N極插入閉合線圈，如圖6所示.

圖6 電磁感應(yīng)現(xiàn)象

由于電阻的存在，感應(yīng)電流在閉合回路中流動(dòng)將產(chǎn)生熱量.根據(jù)能量守恒定律，這部分熱量應(yīng)是條形磁鐵的機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來(lái)，由此判斷線圈和磁鐵之間一定相互排斥，斥力對(duì)條形磁鐵做的負(fù)功消耗了磁鐵的機(jī)械能.因此可將線圈等效看作N極在上、S極在下的條形磁鐵，再根據(jù)右手螺旋定則可判斷出感應(yīng)電流的方向，與楞次定律所述的方向一致.設(shè)想，感應(yīng)電流的方向如果與楞次定律規(guī)定的方向相反，條形磁鐵受到的吸引力做正功，機(jī)械能將增加，而線圈中不斷產(chǎn)生電能，該系統(tǒng)的總能量會(huì)越來(lái)越大，顯然違背了能量守恒定律.因此，要符合能量守恒定律，感應(yīng)電流的方向就必須取楞次定律規(guī)定的方向.

在教學(xué)中，教師可引導(dǎo)學(xué)生從磁通量、運(yùn)動(dòng)和相互作用觀、能量觀3個(gè)視角全面、立體地理解楞次定律.

5 研究展望

本文依據(jù)“能量觀”的內(nèi)涵提出了“能量觀”的教學(xué)范式，梳理了能量觀在高中物理各個(gè)模塊中的主要體現(xiàn)，通過(guò)示例進(jìn)行了“能量觀”教學(xué)范式的探討.如何使學(xué)生自覺(jué)地通過(guò)“能量觀”看待物理世界，仍然有待更為系統(tǒng)化和深入化的研究.