初中物理能量觀念內(nèi)涵的深度分析

【摘要】闡述了初中物理中由能量概念向能量觀念轉(zhuǎn)變的過程，對能量觀念的定義和表現(xiàn)進行了分析。基于初中物理課程標準，將能量觀念分解為能量本質(zhì)觀、能量來源觀、能量形式觀、能量傳遞及轉(zhuǎn)化觀、能量守恒觀、能量耗散觀和能量利用觀七個子觀念，對每個子觀念的內(nèi)涵進行了詳細的討論。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng)? 能量觀念? 初中物理

【基金項目】云南省文山州教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點課題（文教體發(fā)[2020]12號）;文山學(xué)院教學(xué)改革研究項目（WYZL 200502）。

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）07-0170-03

能量觀念是中學(xué)物理核心素養(yǎng)之物理觀念的重要組成部分[1]。在物理觀念中，能量觀念是內(nèi)涵最豐富、應(yīng)用最廣也是最基本的觀念，同時也是較難形成的一種觀念。針對高中物理能量觀念的研究，其理論和體系已經(jīng)趨于成熟[2-4]。但對于初中物理，由于缺乏基于核心素養(yǎng)的國家課程標準，關(guān)于初中物理核心素養(yǎng)問題的研究還處于探索階段，已有的研究也主要是以教學(xué)設(shè)計案例為主，不管是理論層面還是指標體系，都還有很多問題沒有解決。關(guān)于初中物理中能量觀念的內(nèi)涵問題，目前還沒有標準化的答案，對于學(xué)生的認知水平也沒有清晰權(quán)威的描述，導(dǎo)致教師在教學(xué)中難以落實核心素養(yǎng)的要求?；谝陨媳尘埃鶕?jù)最新版的初中物理課程標準，本文對初中物理能量觀念的內(nèi)涵進行詳細研究，從七個層面分析初中物理能量觀念的支撐體系和內(nèi)容，為教師在初中物理教學(xué)中落實物理核心素養(yǎng)的要求打好基礎(chǔ)。

1.從能量概念到能量觀念

與其他的物理概念不同，能量是一個極其抽象且難以用精確的物理語言進行定義的概念。對能量的定義，更多的是從其表征的物理意義來進行說明，能量是物質(zhì)運動轉(zhuǎn)換的量度，表征的是物理系統(tǒng)做功本領(lǐng)的強弱。從微觀到宏觀再到宇觀，從低速物體到高速物體，從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理，能量都貫穿始終。能量也是少有的能橫跨多個自然科學(xué)學(xué)科的概念，在化學(xué)和生物等學(xué)科中也都離不開能量的概念。此外，能量也是最讓人費解的概念，生活中，常常用“正能量”和“負能量”來形容一個人，能量的概念與人的精神狀態(tài)和心理效應(yīng)也聯(lián)系在了一起。

能量，是初中物理教學(xué)的三大主題之一，然而學(xué)生根本不知道如何定義能量，對書中能量的描述也較難理解，但學(xué)生能接觸到機械能、電能、風(fēng)能等多種形式的能量，而且自然界中的能量不是孤立的，不同的能量在特定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，能量的計算也是經(jīng)常學(xué)習(xí)的主題。能量的概念與功聯(lián)系在一起，功是力與物體在力的方向上通過路程的乘積，而對力的概念辨析又回到了許多物理問題研究的起點。這些概念或理論自己構(gòu)成了一個純?nèi)斯さ摹⑶擅畹娜μ?，層層嵌套，相互關(guān)聯(lián)，對現(xiàn)實生活現(xiàn)象準確無誤地描述和計算成了它們應(yīng)當繼續(xù)發(fā)展下去的理由[5]。最終，物理學(xué)和生活中的很多問題，都可以用能量守恒定律來統(tǒng)一描述，并得出了質(zhì)量就是能量的結(jié)論，在這個過程中，能量的概念也隨之上升到了能量觀念層次。

可以借鑒物理觀念的定義[1]，將能量觀念定義為對于物理學(xué)中能量相關(guān)問題的基本認識，是能量相關(guān)概念及規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是關(guān)于能量的研究對象、過程、方法和結(jié)果在學(xué)生頭腦中整體的、概括的反映。初中物理的能量觀念可以從能量的本質(zhì)、能量的來源、能量的形式、能量的傳遞及轉(zhuǎn)化、能量守恒、能量的耗散和能量的利用七個方面進行構(gòu)建。

2.能量觀念的內(nèi)涵

2.1 能量本質(zhì)觀

能量本質(zhì)觀需要回答能量是什么的問題。人教版初中物理教材中對能量的定義：物體能夠?qū)ν庾龉?，就說它具有能量。嚴格來說，這并不是能量的定義，也沒有對能量的本質(zhì)進行說明和解釋，它只是對能量在力學(xué)方面的特征進行了描述，只是在力學(xué)層面說明了判斷物體是否具有能量的標準。這種標準即使在初中階段也是不全面的，因為除了做功，能量還可以光的輻射和熱的傳遞等形式體現(xiàn)。在初中階段，對能量的定義，應(yīng)理解為對機械能的定義，這是對能量的初步定義。從另一個角度看，能量還可以理解為一種趨勢，一種可以使物質(zhì)發(fā)生某種特定變化的趨勢，人們在希望這種特定變化發(fā)生時，就可以利用能量來達到目的。

關(guān)于對能量本質(zhì)的認識，應(yīng)該在學(xué)完所有初中物理知識后引導(dǎo)學(xué)生進行探討：（1）能量是表征物理系統(tǒng)做功本領(lǐng)的量度，但是有能量不一定在做功，能量大小與做功多少沒有必然的聯(lián)系，“本領(lǐng)”僅代表具有做功的能力，不代表正在或者必須要發(fā)生，做功是能量變化的量度，能量是狀態(tài)量，做功是過程量。物體的運動和變化伴隨著能量的變化，可以從能量的角度去研究物體運動和變化的問題。（2）能量通過機械能引入，但其內(nèi)涵和范圍不僅僅限于做功，能量還與熱量和內(nèi)能相聯(lián)系，而且熱量與內(nèi)能的聯(lián)系如同做功與機械能之間的關(guān)系一樣。此外，能量還可以攜帶信息。（3）能量不可以被直接測量，是一個只能間接觀測的物理量，沒有方向，在初中階段，能量在數(shù)值上是大于零的。（4）初中物理中的勢能和內(nèi)能等內(nèi)容已經(jīng)蘊涵了“系統(tǒng)”的思想，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考哪些能量屬于系統(tǒng)，哪些能量既可以描述個體也可以描述系統(tǒng)，從而升華思維。

2.2能量來源觀

能量來源觀是關(guān)于能量的出處以及獲取的理解及看法，需要從兩個層面構(gòu)建。一是懂得地球就是一個大的能量系統(tǒng)，理解地球上的能量絕大部分都直接或間接來自于太陽，認同太陽就是能量之源的理念，知道能量是維持生命的根本保證。二是知道可以通過物質(zhì)能量和物質(zhì)釋放能量來獲取能量，物質(zhì)能量指物質(zhì)的動能和勢能，物質(zhì)釋放能量指物質(zhì)通過化學(xué)或者物理反應(yīng)時釋放的能量。

關(guān)于能量的來源，難點在于磁場的能量來源問題。雖然在初中階段不要求掌握，但初中物理中強調(diào)了磁場對電流及磁體會產(chǎn)生力的作用，并涉及到電磁感應(yīng)現(xiàn)象以及電磁波的概念，抖音上還出現(xiàn)了利用磁場制作出類似于“永動機”的科學(xué)裝置，難免會讓學(xué)生在心里產(chǎn)生對磁場能量來源的思考。對于這個問題，教師可以結(jié)合磁鐵的形成過程，運用能量的轉(zhuǎn)化觀念來進行解釋。

2.3能量形式觀

能量形式觀是關(guān)于能量的形式種類以及內(nèi)涵的理解及看法。要構(gòu)建起能量形式觀，首先要理解“能量形式”這個術(shù)語的引入背景：關(guān)于能量的概念，至今都沒有一個非常清晰的定義，從物理學(xué)史上看，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)能量總是與物質(zhì)和物體同時同地出現(xiàn)，并且可以用表示物質(zhì)和物體狀態(tài)特征的物理量所構(gòu)成的式子（如cmΔT、mgh等）來計算能量的大小與多少，這些物質(zhì)和物體可以稱為能量的載體，因此，引入“能量形式”這個科學(xué)術(shù)語來描述能量有不同的載體，并啟用了諸如動能、彈性勢能、內(nèi)能、電能、磁能、核能、風(fēng)能等具體名稱來描述能量的形式[6]。

從另一個層面分析，能量之所以有多種形式，是因為能量是物質(zhì)運動轉(zhuǎn)換的量度。運動的形式是多種多樣的，可以對應(yīng)著不同的能量形式。在機械運動中，能量表現(xiàn)為機械能;在熱運動中，能量表現(xiàn)為內(nèi)能。宏觀物體的機械運動對應(yīng)著動能;分子運動對應(yīng)著勢能;原子運動對應(yīng)著化學(xué)能;帶電粒子的運動對應(yīng)著電能。若運動形式相同，不同物體的運動特征可以用某些相同的物理量來描述;如果運動形式不同，不同物體之間的運動特性，能相互比較和描述的物理量就只有能量，能量是一切運動著的物體共同具有的屬性。

2.4能量傳遞及轉(zhuǎn)化觀

能量傳遞及轉(zhuǎn)化觀是對同類型能量在物質(zhì)中的傳遞及不同形式能量之間相互轉(zhuǎn)化的總體認識。

對于同一類型的能量在物質(zhì)中的傳遞問題，應(yīng)該清楚能量既可以在同一種物質(zhì)中也可以在不同形態(tài)的物質(zhì)之間傳遞。聲音的傳播過程也是能量的傳遞過程，聲能的傳遞需要介質(zhì)，真空中不能傳遞聲能，聲音可以被反射，意味著能量也可以被反射;光的傳播過程也是能量的傳遞過程，光能量的傳播可以沒有介質(zhì)，光能量能被反射、折射和散射;熱量傳遞有方向性，熱量只能自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞，不能相反，“導(dǎo)熱性”和“比熱容”是用于描述熱量傳遞的物理量;電能、磁場中的能量也伴隨著電流和磁場的傳播同步進行著傳遞。需要注意的是，能量的傳遞過程，可能也是信息的傳遞過程，能量可以攜帶信息，比如光通信、無線電通信。

關(guān)于不同形式能量之間相互轉(zhuǎn)化的問題，需要從兩個方面進行理解。一是不同形式的能量之間為什么可以轉(zhuǎn)化？這個問題可以從能量的形式觀和本質(zhì)中找到答案。能量轉(zhuǎn)化，其實是人類在定義了能量的各種形式之后伴隨產(chǎn)生的一個概念，雖然有多種形式的能量，但能量的本質(zhì)是一致的，既然本質(zhì)都是一樣的，能量轉(zhuǎn)化也就只是與人為定義的能量形式相對應(yīng)罷了。在物理學(xué)中，有這樣的共識，即物理量的每一種或每一次變化，物體都將產(chǎn)生相應(yīng)的后續(xù)反應(yīng)或者變化的趨勢，這使得能量在促使一種變化發(fā)生時，必然會導(dǎo)致另一種可能的變化趨勢的產(chǎn)生。能量的轉(zhuǎn)化就是耗能過程引發(fā)了新的變化趨勢，從能量的本質(zhì)觀來看，這種趨勢就是新的能量。二是不同形式的能量之間轉(zhuǎn)化時是否有方向或者條件？答案是肯定的，能量的轉(zhuǎn)化是有方向的，其他形式的能量可以自發(fā)地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不可能無條件地轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。

能量轉(zhuǎn)化問題的核心，是理解“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”的內(nèi)涵：力做了多少功，就有相應(yīng)的某種形式的能量轉(zhuǎn)化為等量的其他形式的能量;不同的力所做的功，量度的是不同形式的能量變化。

2.5 能量守恒觀

能量守恒觀是對能量在傳遞和轉(zhuǎn)化過程中所遵行規(guī)律的理解與認識。能量守恒觀的構(gòu)建，需要從六個方面進行提升：一是要清楚“從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式”是指所有形式的能量，是泛指;二是“在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變”并不限制是哪幾種形式的能量;三是能量守恒是有條件的，即所有形式能量之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，且轉(zhuǎn)換量一定相等，此外，各種不同形式的能可以通過做功來轉(zhuǎn)化，能轉(zhuǎn)化的多少通過功來量度;四是要理解“總能量守恒”與“能量守恒定律”是兩個不同的概念，由“能量守恒定律”可以推出“總能量守恒”的結(jié)論，但從“總能量守恒”是不能推出“能量守恒定律”這一結(jié)論的;五是要理解初中物理中“能量守恒”、“質(zhì)量守恒”和“電荷守恒”三個概念的思想是相似的，但本質(zhì)卻有不同;六是能量守恒定律不是數(shù)學(xué)推導(dǎo)出的結(jié)果，而是實驗結(jié)果。

2.6能量耗散觀

能量耗散觀是關(guān)于能量的消耗及損失的理解與看法。初中階段的能量耗散觀比較淺顯，可以表述為：人類時刻都在利用和消耗著地球上各種形式的能量，在能量的轉(zhuǎn)化和傳遞過程中，有部分能量不能被有效地利用而損失掉（耗散），由于宇宙中總能量不變，可供人類利用的能量資源越來越少。耗散的原因主要是摩擦力做功，將機械能或其他形式的能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，或者是通過向周圍低溫物體自發(fā)散熱。需要強調(diào)的是，現(xiàn)實環(huán)境中，能量耗散，只能降低，但絕對不可能避免，因為任何系統(tǒng)都不可能完全不受到摩擦力的作用，也不可能絕對絕熱。

2.7能量利用觀

能量利用觀是關(guān)于能量使用以及能源開發(fā)的總體認識。初中物理的能量利用觀是基于上述六種能量子觀念而形成的，可以從以下幾個方面構(gòu)建：一是樹立起節(jié)約能源的意識，在能源的利用過程中，要盡量選擇能量轉(zhuǎn)化效率高的能源或者方式，采取手段降低能量的損耗也是節(jié)約能源的途徑;二是知道目前的能源使用仍然以不可再生資源為主，但對于可再生資源的開發(fā)和利用技術(shù)正在快速發(fā)展，在生活中已經(jīng)占據(jù)了一定比例;三是知道在能源利用的過程中，會對環(huán)境產(chǎn)生污染，清潔能源的開發(fā)和利用是今后的重點;四是知道人類未來的能源儲備并不悲觀，隨著技術(shù)的進步，能源危機不一定會出現(xiàn)，海洋是人類能源資源最大的寶庫，將海水直接轉(zhuǎn)化為能量的研究已取得重大進展。

3.結(jié)語

能量觀念是初中物理觀念構(gòu)建的重點與難點，教師必須超越對具體知識的教學(xué)，首先從本文分析的七個層面構(gòu)建起基于教師主體的能量觀念，打通物理知識與能量核心素養(yǎng)之間的關(guān)系，才能在教學(xué)中以知識為載體，引導(dǎo)學(xué)生通過高水平的思維和學(xué)習(xí)活動，學(xué)會從能量的視角來分析相關(guān)的物理現(xiàn)象與問題，構(gòu)建起以學(xué)生為主體的能量觀念。

參考文獻：

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[6]張三慧.“能量形式”概念是錯誤的嗎？[J].物理與工程，2011，21（2）：7-9.

作者簡介：

胡家光（1980年-），男，副教授，主要從事物理師范生的培養(yǎng)策略研究。