[摘 要]學生學習的過程不僅僅是掌握基本物理知識的過程，更應該是建立物理觀念，提升境界，享受快樂的過程。在物理課堂教學過程中，我們要關注知識學習的過程與方法，讓學生經歷科學探究的過程和對新知識的思維過程，讓學生在理解知識的同時，感悟相應的物理思想方法，最終提高學生的物理學科綜合能力。文章以《追尋守恒量——能量》一節(jié)為例，讓學生走進生活，體驗能量建立的過程，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)課的教學過程中，應重視過程方法，引導學生追尋守恒觀念，使學生能夠應用能量的觀念鑒賞生活之美。

[關鍵詞]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習中。大自然所賦予的守恒是自然界的重要規(guī)律，領悟能量在轉移與轉化過程中動態(tài)守恒的思想，理解重力勢能和動能的概念，領會尋找守恒量是科學研究中最重要的理念思想。最終讓學生走進生活中的物理，用物理知識分析生活中有關機械能轉化的問題。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，而守恒關系是大自然中最重要的一類關系。能量進進出出，物質世界變化萬千，在不斷的轉化與轉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)課的物理教學是讓學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的思想方法，最重要的特征就是讓學生親身體驗，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，教師應讓學生重視過程方法，追尋守恒觀念。在實際教學中，可以從以下幾個方面開展教學。

一、運用理想斜面，開展物理教學，提升學生的科學思維能力

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

1.定性分析理想斜面實驗，啟迪學生思維

在學習牛頓第一定律時，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，通過這些對話可領悟到科學方法的重要性。

伽利略：假設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)學知識，定量計算探討，提升學生思維的嚴謹性

數(shù)學是美的，而物理的內涵非常豐富。實際教學中，我們可通過數(shù)學精確計算伽利略理想斜面中小球上升的高度。設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量保持不變。（對，質量不變，但質量是小球本身的屬性，不運動，質量也是不變的，所以與運動過程和狀態(tài)無關，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。（伽利略等物理學家當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的量[f（h）]和一個與速度有關的量[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)，一個是與高度有關的量[f（h）]，另一個是與速度有關的量[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的“量”必然是單位相同的，是同一類“物理量”。

問題3.我們已學習了很多運動學公式，在這些公式中是否有涉及位移x與速度v關系的等式？

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， 跟高度有關的量可能是2gh或gh，跟速度有關的量可能是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。科學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）還跟物體的質量也有關，質量越大，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，一個與質量有關、跟[v2]與[2gh]之和或[v22與gh]之和有關的量（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：物理學上我們把其中跟高度h有關的能量叫重力勢能，與速度v有關的能量叫動能。當釋放小球后，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，因為機械能還要轉化為克服阻力做功而產生的內能，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、化學能、電磁能、光能、原子能等。同種形式的能可以相互轉移，不同形式的能之間也是可以相互轉化的。諾貝爾物理學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、引導學生走進生活，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反應方程式：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放入一塊冰。在冰的融化過程中，容器內的水會溢出嗎？ （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，怎么辦呢？最后還是小明反應快，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，他們把門窗關好，把冰箱門開著，他們能達到預期的效果嗎？（利用生活事實激發(fā)學生的好奇心，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，它指導我們生活，伴隨我們成長。在第六個例子中，把門窗關好，把冰箱門開著，把整個房間作為研究系統(tǒng)，消耗了電能，這個電能轉化為整個房間的熱能，起不到制冷的效果，最終導致房間的溫度是升高的。著名心理學家皮亞杰對人的成長做過詳細的追蹤調查，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，化學反應上的原子守恒等依次建立起來，到了高中呢？應當會有更深層次認識了，學生要從更高境界來認知能量守恒定律。在物理學領域中，很多著名的物理學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科核心素養(yǎng)的重要方面，學生們在學習物理知識，走進生活的過程中，時刻都沐浴在物理觀念的教育之中。教師應該認識到物理觀念的重要意義，認識到學生讀書最寶貴的收益恰恰是我們在今天稱之為物理學科素養(yǎng)的東西。在落實物理學科素養(yǎng)目標的過程中，知識不僅是傳統(tǒng)意義上的課程內容，它還是知識學習內化為潛質、潛質外化為人的外顯行為的“介質”。《追尋守恒量——能量》的教學，應該更加關注過程與方法，關注能量守恒觀念形成的各個教學環(huán)節(jié)。通過這節(jié)課的教學，讓學生了解了科學的研究方法，體驗了猜想與假設的重要意義和科學的思維過程，促使學生形成守恒的觀念。重視過程方法，追尋守恒觀念，讓學生認識到能量守恒思想對人類社會發(fā)展的影響，為他們形成科學的世界觀和科學價值觀打下堅實的基礎。在生產與生活，在工作和科學探究的實踐過程中，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，用科學知識、科學思想、科學方法和科學精神戰(zhàn)勝偽科學。廣大物理教師有責任讓每一個學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，提高學生的物理學科素養(yǎng)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 徐秀珍. “追尋守恒量”教學設計[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].中學教學參考，2018（8）：36-40.

（責任編輯 易志毅）