楊改花

從能量守恒定律的教學(xué)談三維目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

楊改花

1 從“能量守恒”的發(fā)現(xiàn)史，體驗(yàn)、領(lǐng)悟從現(xiàn)象到本質(zhì)的辯證認(rèn)識(shí)過(guò)程

“能的轉(zhuǎn)化和守恒定律”是19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一?；仡櫄v史，這一發(fā)現(xiàn)不是偶然的，它是在普遍聯(lián)系的大量實(shí)施的基礎(chǔ)上，通過(guò)眾多科學(xué)家艱辛探索而最終得出的。這段史料，是學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程的美好“教材”。

普遍聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)始于18世紀(jì)末到19世紀(jì)初。當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的廣泛采用，人們對(duì)熱機(jī)效率以及機(jī)器中的摩擦生熱問(wèn)題的研究，特別是永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)屢屢失敗的事實(shí)，大大促進(jìn)人們對(duì)能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的深入思考。與此同時(shí)，其他領(lǐng)域內(nèi)也分別發(fā)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)形式的相互轉(zhuǎn)化的聯(lián)系。1798年，湯普森發(fā)現(xiàn)大炮鉆孔時(shí)有大量熱產(chǎn)生；1800年，伏特發(fā)明化學(xué)電池；1801年，戴維發(fā)現(xiàn)電流的化學(xué)效應(yīng)；1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)；1822年，賽貝克發(fā)現(xiàn)熱電動(dòng)勢(shì)并制作熱電源；1833年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)；1840年，焦耳開(kāi)展對(duì)電流熱效應(yīng)的研究；1842年，邁爾發(fā)現(xiàn)“落下的力”可以使物體溫度升高。所有這些，都使各種運(yùn)動(dòng)形式間的相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化的辯證關(guān)系被充分揭示出來(lái)。正是在這樣的背景下，德國(guó)醫(yī)生邁爾于1845年在列舉25種相互轉(zhuǎn)化的事實(shí)的基礎(chǔ)上，從空氣的定壓比熱和定容比熱之差，算出大量可靠的實(shí)驗(yàn)資料，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律才最終鞏固地建立起來(lái)。

2 縱覽中學(xué)物理各部分內(nèi)容，“能量轉(zhuǎn)化與守恒”思想貫穿始終

在自然界中，能量守恒支配著各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化。在物理教學(xué)中依據(jù)能量守恒的思想把中學(xué)物理各部分內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，把已有的規(guī)律換一個(gè)角度去思考，不但可能加深對(duì)已有知識(shí)的理解，而且可以通過(guò)新的梳理融會(huì)貫通。

2.1 機(jī)械能守恒是能量守恒定律在力學(xué)中的表現(xiàn)形式

研究地球上的物體自由落體或拋體，若不計(jì)空氣阻力，把物體和地球看做一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)孤立系統(tǒng)總能量不變。系統(tǒng)內(nèi)部只有重力，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能不變。這就是機(jī)械能轉(zhuǎn)化和守恒定律。

2.2 熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律的具體表述

從能的轉(zhuǎn)化和守恒定律出發(fā)，非孤立系統(tǒng)的能量變化等于外界對(duì)系統(tǒng)做的功和傳給系統(tǒng)的熱量之和。對(duì)機(jī)械能不變的靜止物體，其能量的變化只是物體內(nèi)能的變化。一般的，物體內(nèi)能的變化量等于外界對(duì)物體做的功與傳給物體的熱量之和，這就是熱力學(xué)第一定律。

2.3 電學(xué)中的歐姆定律是能量守恒的必然結(jié)果

一個(gè)以電池為電源的電路，外電路電阻為R，電池內(nèi)阻為r，電路中通一穩(wěn)恒電流I時(shí)，電源把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，在電路中電能又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。把包括電池的電路看做一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)電荷q=It通過(guò)電路時(shí)，電池里有IEt的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，在內(nèi)外電阻上產(chǎn)生I2(R+r)t的焦耳熱。根據(jù)能量守恒有IEt=I2(R+r)t，即I=E/(R+r)。這就是閉合電路歐姆定律。

2.4 在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能的轉(zhuǎn)化和守恒更為普遍

把矩形線框abcd放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)里，線框平面跟磁感線垂直，當(dāng)線框可動(dòng)部分ab以速度v向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流I在磁場(chǎng)中所受的安培力方向是向左的，大小為F=BIL；為了保持導(dǎo)線ab勻速向右運(yùn)動(dòng)，加在導(dǎo)線ab上向右的外力大小應(yīng)該跟安培力F相等。在Δt時(shí)間內(nèi)克服安培力所做的功為W=FvΔt=BILvΔt；在時(shí)間Δt內(nèi)感應(yīng)電流所做的功為W=IEΔt。根據(jù)能量守恒有IEΔt=BILvΔt，即E=BLv。這正是利用法拉第電磁感應(yīng)定律得出的重要結(jié)果之一。事實(shí)上，在電磁感應(yīng)中，感應(yīng)電流取楞次定律所述的方向，以及自感現(xiàn)象中自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙回路電流變化的事實(shí)，都是能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的必然結(jié)果。

2.5 愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程建立在能量守恒的基礎(chǔ)上

在光電效應(yīng)中，電子吸收光子的能量后，可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，有的向金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，并不出來(lái)。而向金屬表面運(yùn)動(dòng)的電子，經(jīng)過(guò)的路徑不同，途中損失的能量也不同。這些光電子吸收的能量，一部分作逸出功W，剩下部分就變成電子離開(kāi)金屬表面后的動(dòng)能。依據(jù)能量守恒有1/2mvm

2=hv-W。這正是愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程。

2.6 在原子和原子核物理中能量守恒定律依然適用

玻爾原子理論關(guān)于氫光譜的兩條基本假設(shè)中，躍遷條件hv=E2-E1就閃爍著能量守恒的思想。在原子核反應(yīng)過(guò)程中粒子的能量（包括靜止能量）之和，在反應(yīng)前后總是不變的。

3 小結(jié)

綜上所述，能量守恒具有普遍性，它不僅適合宏觀，也適合微觀，它蘊(yùn)含在物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域之中，是許多物理問(wèn)題研究的最初依據(jù)和最終歸宿。引導(dǎo)學(xué)生用能量的觀點(diǎn)縱觀中學(xué)物理知識(shí)，不僅加深對(duì)能量守恒定律本身內(nèi)容的理解，而且可以培養(yǎng)學(xué)生在處理復(fù)雜物理問(wèn)題時(shí)，達(dá)到從自發(fā)運(yùn)用到自覺(jué)運(yùn)用的理性升華，獲得知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三維目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（作者單位：河北省涉縣第一中學(xué)）

10.3969 /j.issn.1671-489X.2011.04.154