張穎

摘 要： 新人教版第八章的編寫說明，以使教師了解教材結構及核心素養(yǎng)落實.

關鍵詞： 新教材;編寫說明;核心素養(yǎng)落實

文章編號： 1008-4134（2019）23-0002 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻標識碼： B

1 本章概述

本章是必修力學部分的最后一章，落實了《普通高中物理課程標準（2017版）》中2.1.1～2.1.4條內容標準的要求，講述功和能的概念，以及動能定理和機械能守恒定律.這一章可視為牛頓運動定律的延伸和拓展，在牛頓運動定律的基礎上，通過引入功和能的概念，從而打開了一個研究機械運動以及機械運動與相互作用關系問題的全新的角度——能量的角度.

本章也是高中學生接觸能量概念的第一章.學生將會發(fā)現(xiàn)，如果研究對象在某一過程中滿足機械能守恒的條件，應用機械能守恒定律解決問題只需考慮運動的初狀態(tài)和末狀態(tài)，而不必考慮兩個狀態(tài)間過程的細節(jié)，這樣就給處理問題帶來方便.不僅如此，機械能守恒還有更深刻的意義.它提示我們，盡管物理世界是千變萬化的，但是，有些物理量在一定條件下是守恒的，可以用這些“守恒量”來表示物理世界變化的規(guī)律，這就是守恒定律.機械能守恒定律就是其中一個.正因為自然界存在著“守恒量”，而且某些守恒定律的適用范圍很廣，所以，在物理學中尋求“守恒量”已經成為物理學研究的一種重要思想方法.因此，通過本章的學習，不僅為解決力學問題開辟了新的途徑，學生對自然的認識也將更加深入.關于更多的能量形式、普遍的能量守恒定律以及能量轉化和轉移的方向性問題，課程標準放在后續(xù)的必修三模塊和選擇性必修模塊介紹.

這一章共有5節(jié)，可分為兩大部分.第1～3節(jié)是第一部分，介紹本章的基礎概念：第1節(jié)擴展了初中的功的概念，介紹了物體運動的方向與力的方向不一致情形下功的計算，以及功率的概念;第2節(jié)通過重力做功與路徑無關引入重力勢能的概念;第3節(jié)通過討論恒力做功與速度變化的關系，引入動能的概念，并用動能定理來表述上述關系;第4～5節(jié)是第二部分，介紹本章的核心知識——機械能守恒定律.其中第4節(jié)分析了只有重力做功情形下重力勢能和動能的互相轉化，并將其推廣到只有重力和彈力做功時的機械能守恒定律.第5節(jié)根據(jù)課程標準學生必做實驗的要求，安排了實驗驗證機械能守恒定律.

編者在編寫教材時，在發(fā)展學生核心素養(yǎng)方面有如下考慮.

1.1 物理觀念

普通高中物理課程標準指出，能量觀是物理觀念的要素之一.編者認為，能量觀的核心內容是：自然界中一切物質都具有能量，能量的大小用功來量度;能量有各種不同的形式，能夠從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體傳遞到另一個物體;在能量轉化和傳遞的過程中，各種形式能量的總量保持不變，能量的轉化和轉移具有方向性.能量守恒定律是自然界最基本的規(guī)律和最普遍的法則，支配著迄今我們知道的一切自然現(xiàn)象——從原子核反應到石塊的下落以至宇宙的演化，為我們看待自然現(xiàn)象提供了統(tǒng)一的觀點.學生在初中階段已經初步、定性地接觸了動能、勢能、電能等概念.在高中階段，他們將進一步從定量的角度學習并發(fā)展這些概念，并且逐步深入地理解能量守恒定律.學好本章，將為后續(xù)的學習打下堅實的基礎.

教材幫助學生建立能量觀的作法主要體現(xiàn)在：圍繞功能關系這一基本線索（如圖1），逐步建立“可以通過做功的多少，定量地研究能量及其相互轉化”的觀念，進而理解機械能守恒定律.

在本章章首語中就指出：“能量的轉化與功的概念緊密相連.”在第2節(jié)，通過研究物體沿不同路徑運動時重力做功的特點，定義“ mgh ”為重力勢能.第3節(jié)，通過研究力做功與物體速度變化之間的關系，發(fā)現(xiàn)這個量在過程終了與過程開始時的差，正好等于力對物體做的功從而定義了動能.在機械能守恒定律的建立過程中，同樣也是以研究力做功的情況切入的.

學生如果能夠結合具體問題逐步理解這一線索，不但有助于把這一章的知識融會貫通，而且有助于今后從能量的觀點學習其他部分的知識和解決實際問題.

另外，教材編寫強化了重力勢能、動能等基本概念的形成過程，為學生能量觀的發(fā)展打好基礎.

1.2 科學思維

本章教材關于科學思維的培養(yǎng)，主要突出了演繹推理和極限方法的學習.

演繹推理是以一般性結論為前提推出個別性結論的方法，即從已知的某些一般原理、定理、法則、公理或科學概念出發(fā)，通過邏輯推理（包括數(shù)學推導）得出結論的一種思維活動.演繹推理是科學研究中的重要方法之一，也是學生最廣泛進行的學習活動.例如，解物理習題的過程，很多都涉及演繹推理.學生通過力學部分的學習，對此已經有了較多的體驗，打下了較為堅實的基礎，在此有必要進行一定的小結.因此，教材在第3節(jié)“動能和動能定理”結束時，專門安排了科學方法欄目，結合動能定理的推導過程介紹了演繹推理方法.在機械能守恒定律的推導過程中，學生可以進一步體會演繹推理方法.

通過必修第一冊瞬時速度概念、勻變速直線運動位移公式等的學習，學生已經初步了解了極限方法.本章在功和能的情境下進一步應用極限方法.功率的計算式、動能定理、機械能守恒定律都是在恒力和直線運動的情況下推導出來的.考慮到動能定理和機械能守恒定律的應用并不限于恒力和直線運動，所以課本在敘述中有意識地作了擴展.例如，講功率的計算時，指出計算平均功率的公式 P = Fv 同樣適用于瞬時功率;講解重力勢能時，分析了重力做功與路徑無關，因此從直線運動推導出來的重力勢能的變化與重力做功的關系，對曲線運動的情形同樣適用;講解動能定理時，指出不論外力是否為恒力，也不論物體是否做直線運動，動能定理都成立.在以上教學過程中，都涉及了極限方法的應用.

1.3 科學探究

本章沒有安排專門的探究實驗活動.對學生科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在：通過在每節(jié)前設置問題情境，使學生基于觀察引發(fā)思考.這些問題情境，有的是來自生活（第1節(jié)），有的是來自初中定性知識（第2、3節(jié)），還有的是來自物理學史上的事例（第4節(jié)）.通過長期的訓練，學生從被動思考教材提出的問題，會發(fā)展到主動提出需要研究的問題，以此培養(yǎng)問題意識.

1.4 科學態(tài)度與責任

理解機械能及其守恒定律是學生后續(xù)學習內能、電能，以及建立普遍能量概念的前提，而能量與能源的利用聯(lián)系密切.因此，本章內容是培養(yǎng)學生的“科學態(tài)度與責任”，特別是幫助學生形成可持續(xù)發(fā)展觀的基礎.教材在章首語中就進行了滲透：“任何人類活動都離不開能量.例如，現(xiàn)代化的生活離不開電廠供應的電能，許多現(xiàn)代交通離不開燃料燃燒釋放的化學能，核電站能夠利用原子核裂變時釋放的核能，人類生活需要攝入食物中的化學能，植物的生長依賴太陽能……”

科學本質觀是科學態(tài)度與責任的重要要素.課程標準沒有對科學本質觀進行界定.編者認為，讓學生認識到科學概念和規(guī)律的普遍性是科學本質觀教育的重要內容，在這方面，守恒思想可以作為重要素材.本章教材開始時引用了德國物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者勞厄的話：“物理學的任務是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律.因為這樣的規(guī)律的最簡單的形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性，所以對于守恒量的尋求不僅是合理的，而且也是極為重要的研究方向.”并在第89頁以正文和旁批的形式進行了呼應：“能量概念的引入是科學前輩們追尋守恒量的一個重要事例.”“科學概念的力量在于它具有解釋和概括一大類自然現(xiàn)象的能力.在這方面能量概念的作用十分突出.”

課時安排建議：本章教學可以安排8課時.

1. 功與功率 ? ? ?2課時

2. 重力勢能 ? ? ? ? 1課時

3. 動能和動能定理 ? ? ?2課時

4. 機械能守恒定律 ? ? ?2課時

5. 實驗：驗證機械能守恒定律 ?1課時

2 具體說明

2.1 第1節(jié) 功與功率

功的概念反映了受力物體在運動過程中力在空間的積累效應.更為重要的是，功可以量度能量的變化，或者說功是能量變化或轉化的量度，而功率則是這種變化或轉化快慢的量度.功和功率為研究能量轉化過程奠定了一個定量分析的基礎.

學生在初中已經對功和功率有了初步了解，知道力和物體運動方向相同時功和功率的計算.考慮到初、高中階段知識的延續(xù)性，新教材沒有用過多的篇幅回顧初中知識，壓縮了篇幅，把功和功率合編為一節(jié).

2.1.1 正功和負功

高中階段把功的概念擴展到力與運動方向有一定角度的情況.從功的計算式 W = Fl cos ?α 可以看出，由于cos ?α 可正可負，使得 W 也可正可負，由此引入正功、負功的概念.這是從數(shù)學的角度來認識“負功”.還應該引導學生認識，從物理的角度來看，功的正負并不表示功有方向. α <90°時，cos ?α >0，意味著力 F 為動力，有促使物體運動的作用; α >90°時，cos ?α <0，從力和運動角度看 F 為阻力，有阻礙物體運動的作用，所做的是負功.這時，物體要繼續(xù)產生位移，必須克服力 F 的阻礙，可以說力 F 對物體做負功.另外需要注意，“做功”的主體是“力”而不是“物體”.基于此，新教材不再使用“物體克服力 F 做功”的說法，而統(tǒng)一說“力 F 對物體做負功”.

2.1.2 功是標量

有的學生或許會思考：功的計算式中包括力和位移兩個矢量，為什么功是標量？由于高中不涉及矢量的點積運算，學生不可能從功的計算式中確切把握功的標量性.教學中可以引導學生根據(jù)矢量的定義來判斷功是矢量還是標量.

教材在談到物體受多個力的作用下功的計算時指出：“當一個物體在幾個力的共同作用下發(fā)生一段位移時，這幾個力對物體所做的總功，是各個力分別對物體所做功的 代數(shù)和 .可以證明，它也就是這幾個力的合力對物體所做的功.”對于學有余力的學生，可以引導他們證明這一結論，從而認識功的標量性.

2.1.3 平均功率和瞬時功率

功率的定義式和初中一樣，高中的主要變化是推導出了 P ?= ?Fv ，并指出這個公式也適用于瞬時功率的計算.由于公式推導所涉及的極限思想在講瞬時速度時已有所滲透，教師可啟發(fā)學生回憶瞬時速度的定義方法，讓學生自行將瞬時速度的定義方法遷移到瞬時功率的定義中來，增進對概念的理解.

2.2 第2節(jié) 重力勢能

如前所述，教材強化了能量基本概念的建立過程，為學生能量觀的發(fā)展打好基礎.理解重力勢能概念的建立過程，有助于學生進一步學習理解電勢能、內能的概念.

在引入重力勢能概念時，教材先詳細研究了物體運動路徑不同時重力做功的情況，得出“重力做功與路徑無關”的結論，進而定義“重力勢能”來描述重力做功的這種性質.“重力做功與路徑無關”的重要意義在于，它是定義“重力勢能”的前提條件.為了強調這一點，教材特意安排了一個“思考與討論”欄目，讓學生思考：“若重力做的功與路徑有關，我們還能把 mgh 叫作物體的重力勢能嗎？”如果是這樣，那么，分別沿著不同的路徑把一個物體由地面舉到高度為 h 的一點，重力做的功將不同.設沿著路徑1把物體舉高時重力做的功是 W 1，沿著路徑2把物體舉高時重力做的功是 W 2，那么，位于高度 h 的物體的重力勢能到底等于 W1還是W 2呢？這個重力勢能也就沒有意義了！可見，正是由于重力做功與路徑無關，重力勢能的改變才有確定值，在物理學中才可以引入重力勢能這個概念.教學中應注意強調這一點.

課程標準對彈性勢能的要求是“定性了解”.由于篇幅較短，教材沒有單獨列為一節(jié)，而是放在本節(jié)當中用一個小標題來體現(xiàn).

2.3 第3節(jié) 動能和動能定理

2017版課程標準刪去了“通過實驗，探究恒力做功與物體動能變化的關系”這一要求.考慮到教學要求的降低，教材本章內容也進行了相應的調整，刪去了原來的第6節(jié)“實驗：探究功與速度變化的關系”.

2.3.1 動能

通過前面幾章的學習，學生對于利用牛頓第二定律處理力和運動關系的問題已經不陌生了，因此，用演繹的方式得出表達式不會有困難.但是，教材并沒有因此而忽略動能概念的引入，僅僅簡單、直接地給出動能的定義式.教材有這樣一段文字：

從上式可以看出，“ 1 2 mv2”很可能是一個具有特定意義的物理量，因為這個量在過程終了與過程開始時的差，正好等于力對物體做的功.在物理學中就用“ 1 2 mv2”這個量表示物體的動能.

在這里，教材根據(jù)對力做功的分析來定義動能，這個處理方法跟重力勢能概念的引入是一脈相承的.

2.3.2 動能定理

動能定理是一個適用范圍很廣的物理規(guī)律.教科書是在恒力做功、直線運動的條件下推導這一定理，如果是變力做功或物體做曲線運動時，教師要適時滲透“化曲為直”“以恒代變”等辯證思想，使學生領會可以把力對物體做功過程中的路徑分割成許多小段，認為物體在每小段的運動過程中都受到恒力的作用，并把每小段軌跡都當作直線.整個過程中，力對物體所做的功，就等于各個小段中該力所做功的代數(shù)和.

2.4 第4節(jié) 機械能守恒定律

能量概念是在人們追尋“守恒量是什么”的過程中發(fā)展起來的.能量概念之所 以重要，就是因為它是一個“守恒量”.近代物理學的發(fā)展更是伴隨著對守恒量的追求.

2010年版教材編者將“追尋守恒量”放到了具體的概念如重力勢能、彈性勢能、動能之前，即從追尋守恒量出發(fā)引出能量概念，把守恒思想的滲透貫穿于能量學習的全過程.通過調查發(fā)現(xiàn)，這種寫法盡管立意很高，得到了一些老師的認同，但也有很多老師由于課時等原因，并沒有單獨安排這節(jié)課的教學，因此并沒有達成預期的效果.從方便教師開展教學的角度，新教材沒有把“追尋守恒量”單獨編為一節(jié)，而是放在第4節(jié)“機械能守恒定律”當中.

教材在講機械能守恒定律之前，先通過提出伽利略斜面實驗背后隱含的問題，引導學生思考：在小球的運動過程中，有哪些物理量是變化的？哪些是不變的？你能找出不變的量嗎？然后進一步通過“追尋守恒量”這個小標題的敘述，讓學生體會守恒關系是自然界中客觀存在著的一種十分重要的關系，而能量概念的引入是科學前輩們追尋守恒量的一個重要事例.在上述認識的基礎上再學習機械能守恒定律，逐步學會從能量的觀點和守恒的觀點來分析力學問題，有利于學生把關于機械能的具體知識進行提升，幫助他們逐步形成能量觀.在第4節(jié)結束時，教材安排了一段旁批，對能量觀進行了一個小結：“能量是人們研究物質世界非常重要的一個物理量，是物質運動的統(tǒng)一量度.物體運動雖然形式各異，但是每種運動都具有相應的能量.能量及其轉化將各種運動統(tǒng)一、聯(lián)系起來.”

2.5 第5節(jié) 實驗：驗證機械能守恒定律

對于“驗證機械能守恒定律”這個實驗，雖然課程標準并沒有要求用“探究”的形式，但教材編寫時也注意體現(xiàn)探究的思想.例如，在設計實驗思路時，并不提供具體的實驗方案，而是提示“機械能守恒的前提是‘只有重力或彈力做功”，讓學生思考滿足這一條件的過程有哪些，在此基礎上形成自己的方案.又如，在參考案例“研究自由下落物體的機械能”中，沒有給出詳細的操作步驟，而針對實驗的關鍵提出需要注意的問題：“重物下落過程中，除了重力外會受到哪些阻力？怎樣減少這些阻力對實驗的影響？”“重物下落時，最好選擇哪兩個位置作為過程的開始和結束的位置？”學生需要評估不同做法的優(yōu)劣，并選擇適當?shù)淖龇?

（收稿日期：2019-08-15）