[摘 要]學(xué)生學(xué)習(xí)的過程不僅僅是掌握基本物理知識(shí)的過程，更應(yīng)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(xué)過程中，我們要關(guān)注知識(shí)學(xué)習(xí)的過程與方法，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程和對(duì)新知識(shí)的思維過程，讓學(xué)生在理解知識(shí)的同時(shí)，感悟相應(yīng)的物理思想方法，最終提高學(xué)生的物理學(xué)科綜合能力。文章以《追尋守恒量——能量》一節(jié)為例，讓學(xué)生走進(jìn)生活，體驗(yàn)?zāi)芰拷⒌倪^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(xué)過程中，應(yīng)重視過程方法，引導(dǎo)學(xué)生追尋守恒觀念，使學(xué)生能夠應(yīng)用能量的觀念鑒賞生活之美。

[關(guān)鍵詞]物理觀念;過程方法;追尋守恒;能量觀念

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2020）20-0030-03

物理學(xué)科素養(yǎng)中，有兩個(gè)基本觀念，一是力與運(yùn)動(dòng)的觀念，二是能量的觀念?！蹲穼な睾懔俊芰俊分荚趶淖罨镜氖睾懔砍霭l(fā)，讓學(xué)生建立能量觀念，并將這種物理觀念滲透到整個(gè)高中物理學(xué)習(xí)中。大自然所賦予的守恒是自然界的重要規(guī)律，領(lǐng)悟能量在轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化過程中動(dòng)態(tài)守恒的思想，理解重力勢(shì)能和動(dòng)能的概念，領(lǐng)會(huì)尋找守恒量是科學(xué)研究中最重要的理念思想。最終讓學(xué)生走進(jìn)生活中的物理，用物理知識(shí)分析生活中有關(guān)機(jī)械能轉(zhuǎn)化的問題。但很多教師在上這一節(jié)時(shí)，不上或者匆匆過去。縱觀物理學(xué)的整個(gè)發(fā)展過程，能量的概念幾乎是與人類認(rèn)識(shí)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?yàn)樗莻€(gè)守恒量，而守恒關(guān)系是大自然中最重要的一類關(guān)系。能量進(jìn)進(jìn)出出，物質(zhì)世界變化萬千，在不斷的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)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(xué)是讓學(xué)生從一個(gè)最高的境界，建立守恒的觀念，從能量守恒觀的高度認(rèn)識(shí)問題。分析探討物理過程與相關(guān)的思想方法，最重要的特征就是讓學(xué)生親身體驗(yàn)，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(yīng)讓學(xué)生重視過程方法，追尋守恒觀念。在實(shí)際教學(xué)中，可以從以下幾個(gè)方面開展教學(xué)。

一、運(yùn)用理想斜面，開展物理教學(xué)，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力

猜想與假設(shè)是研究物理學(xué)的重要方法，回憶物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程，科學(xué)家正是利用了這種方法得出了一個(gè)又一個(gè)的物理規(guī)律。學(xué)生可回憶在牛頓第一定律學(xué)習(xí)中的伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)，從中領(lǐng)悟猜想與假設(shè)的魅力，啟迪科學(xué)思維。伽利略假設(shè)了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

1.定性分析理想斜面實(shí)驗(yàn)，啟迪學(xué)生思維

在學(xué)習(xí)牛頓第一定律時(shí)，有一個(gè)理想斜面實(shí)驗(yàn)，我們可欣賞小球先生與伽利略的一段對(duì)白，通過這些對(duì)話可領(lǐng)悟到科學(xué)方法的重要性。

伽利略：假設(shè)沒有摩擦和空氣阻力，小球先生，你會(huì)爬上怎樣的高度呢？

小球：我心中有一個(gè)中國(guó)夢(mèng)，會(huì)一步一步往上爬，一直上升到夢(mèng)想中的高度。

伽利略：當(dāng)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(mèng)想有多高，我當(dāng)然就要爬多高，只不過我所走的路程就更長(zhǎng)遠(yuǎn)了。

伽利略：在原來傾角的基礎(chǔ)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(biāo)前進(jìn)，只是我又多走了更遠(yuǎn)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(mèng)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(dú)的背影留給世界……

在這段對(duì)白中，我們感覺到這個(gè)滾動(dòng)的小球非常有靈性，是一個(gè)有夢(mèng)想有追求的小球，為實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)一直前行。它有一種特殊的記憶，當(dāng)小球從斜面運(yùn)動(dòng)到水平位置時(shí)，總是夢(mèng)想回到原來的高度，當(dāng)前方是另一個(gè)斜面時(shí)，小球的愿望很快得以實(shí)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(gè)夢(mèng)想一直運(yùn)動(dòng)下去。

2.運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)，定量計(jì)算探討，提升學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性

數(shù)學(xué)是美的，而物理的內(nèi)涵非常豐富。實(shí)際教學(xué)中，我們可通過數(shù)學(xué)精確計(jì)算伽利略理想斜面中小球上升的高度。設(shè)兩個(gè)光滑斜面的傾角分別為[θ1]和[θ2]，讓小球從第一個(gè)斜面高度為h處靜止釋放，請(qǐng)通過運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算說明小球到達(dá)另一個(gè)斜面的高度是相同的。

小球做勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度為：

[a1=gsin θ1]

在第一個(gè)斜面上勻加速運(yùn)動(dòng)的距離為：

[s=hsin θ1=v22a1]

上式中的速度v是小球到達(dá)斜面底端時(shí)的速度。

小球滑上另一個(gè)斜面時(shí)做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，其加速度為：

[a2=-gsin θ2]

小球沿著第二個(gè)斜面運(yùn)動(dòng)的最大高度為[h′]，則小球在第二個(gè)斜面上勻減速運(yùn)動(dòng)的距離為：

[s=h'sin θ2=0-v22a2]

由以上四式解得，小球到達(dá)另一個(gè)斜面的高度[h′=h]。

因此，如果兩個(gè)斜面都是光滑的，當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)到另一斜面的相同高度時(shí)，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(fù)前面的運(yùn)動(dòng)。通過上面的觀察、分析、推理，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)上的飛躍。

3.關(guān)注物理過程，追尋能量守恒

問題1.小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的過程中是否存在一個(gè)不變的量或者是守恒量？這個(gè)量可能是什么呢？

回答1：運(yùn)動(dòng)過程中小球的質(zhì)量保持不變。（對(duì)，質(zhì)量不變，但質(zhì)量是小球本身的屬性，不運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量也是不變的，所以與運(yùn)動(dòng)過程和狀態(tài)無關(guān)，不能反映運(yùn)動(dòng)過程規(guī)律）

回答2：在斜面上運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程中，初、末兩個(gè)狀態(tài)的高度是不變的，而在小球的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程中的總能量守恒。（伽利略等物理學(xué)家當(dāng)時(shí)在研究時(shí)還沒有建立“能量”這個(gè)概念）

回答4：小球運(yùn)動(dòng)的過程中，高度和速度都是在不斷變化的，當(dāng)小球沿斜面向下運(yùn)動(dòng)時(shí)高度減小，而速度就增大;反之，小球沿斜面向上運(yùn)動(dòng)時(shí)高度增大，速度就減小。那么我們可以設(shè)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(yùn)動(dòng)時(shí)高度和速度是不能直接相加的，但是我們可以找一個(gè)與高度有關(guān)的量[f（h）]和一個(gè)與速度有關(guān)的量[f（v）]加起來是守恒的，即[f（h）+f（v）]可能守恒。（這個(gè)想法很有道理，是個(gè)很有創(chuàng)意的猜想）

問題2.我們要找兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)是與高度有關(guān)的量[f（h）]，另一個(gè)是與速度有關(guān)的量[f（v）]，它們必定要有什么特征？

回答1：這兩個(gè)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(yùn)動(dòng)過程中某個(gè)物理量要守恒（不變），而守恒（不變）就意味著在兩個(gè)狀態(tài)存在某種等式。如果存在這種等式，那這個(gè)等式的兩邊所對(duì)應(yīng)的“量”必然是單位相同的，是同一類“物理量”。

問題3.我們已學(xué)習(xí)了很多運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，在這些公式中是否有涉及位移x與速度v關(guān)系的等式？

回答1：有，如果小球從靜止開始在斜面上運(yùn)動(dòng)，有[v2=2 gsin α?s=2gh]，從而可以得出：[v2=2gh]或 [v22=gh]。

回答2：進(jìn)一步猜想， 跟高度有關(guān)的量可能是2gh或gh，跟速度有關(guān)的量可能是v2或[v22]，那么對(duì)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(shí)驗(yàn)中，小球不是沿斜面運(yùn)動(dòng)，而是沿曲面運(yùn)動(dòng)，小球能否到達(dá)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(yàn)證。同樣在運(yùn)動(dòng)過程中有一個(gè)量是守恒、不變的?？茖W(xué)家把這個(gè)守恒的量叫作能量或能。

問題5.物體在運(yùn)動(dòng)過程中的能量是否只跟[v22+gh]有關(guān)呢？如果伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)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(rèn)為兩次運(yùn)動(dòng)的能量會(huì)相同嗎？

回答1：不會(huì)相同。（可以啟發(fā)學(xué)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(gè)守恒量（能量）還跟物體的質(zhì)量也有關(guān)，質(zhì)量越大，守恒量（能量）也越大。

回答2： 小球可沿斜面運(yùn)動(dòng)，也可以沿曲面運(yùn)動(dòng)，一個(gè)與質(zhì)量有關(guān)、跟[v2]與[2gh]之和或[v22與gh]之和有關(guān)的量（能量）在小球運(yùn)動(dòng)過程中是守恒的。（這個(gè)猜想很合理，具體的定量研究，我們以后有機(jī)會(huì)再研究）

回答3：物理學(xué)上我們把其中跟高度h有關(guān)的能量叫重力勢(shì)能，與速度v有關(guān)的能量叫動(dòng)能。當(dāng)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(shì)能在不斷減小，而小球的速度增大，小球的動(dòng)能增大。當(dāng)小球到達(dá)斜面底部時(shí)，小球的重力勢(shì)能最小，速度達(dá)到最大，動(dòng)能達(dá)到了最大，小球在運(yùn)動(dòng)過程中，動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化。

問題6.在伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)中如果存在阻力的情況下，能量還守恒嗎？

回答1：不守恒。動(dòng)能與重力勢(shì)能之和叫作機(jī)械能，由于有阻力作用，動(dòng)能與勢(shì)能之和是不守恒的，也就是機(jī)械能不守恒，因?yàn)闄C(jī)械能還要轉(zhuǎn)化為克服阻力做功而產(chǎn)生的內(nèi)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(jī)械能、電能、熱能、化學(xué)能、電磁能、光能、原子能等。同種形式的能可以相互轉(zhuǎn)移，不同形式的能之間也是可以相互轉(zhuǎn)化的。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者費(fèi)恩曼曾說過：“有這樣一個(gè)事實(shí)，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(gè)量，我們把它稱為能量，在自然界經(jīng)歷的多種多樣的變化中它不變化，那是一個(gè)最抽象的概念……”

二、引導(dǎo)學(xué)生走進(jìn)生活，體會(huì)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(gè)守恒量，能量不會(huì)憑空消失，也不會(huì)無中生有，但會(huì)以不同的形式存在，可以轉(zhuǎn)化為另一形式存在。守恒現(xiàn)象（包括能量守恒）在社會(huì)、生活和自然界中普遍存在。

實(shí)例：

（1）數(shù)學(xué)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(qǐng)問能裝幾杯？? ? ? ? ? （答案：20杯）

（3）完成鐵在氧氣中燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式：3Fe + （） [點(diǎn)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(gè)盛滿水的容器內(nèi)放入一塊冰。在冰的融化過程中，容器內(nèi)的水會(huì)溢出嗎？ （答案：不 會(huì)）

（6） 在一個(gè)大熱天，小強(qiáng)和小明待在小強(qiáng)家里玩游戲，兩人熱得滿頭大汗，可小強(qiáng)家里沒有空調(diào)，怎么辦呢？最后還是小明反應(yīng)快，他對(duì)小強(qiáng)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(guān)好，把冰箱門開著，他們能達(dá)到預(yù)期的效果嗎？（利用生活事實(shí)激發(fā)學(xué)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(gè)例子分別運(yùn)用了數(shù)的守恒、體積的守恒、原子的守恒、電荷的守恒和質(zhì)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(dǎo)我們生活，伴隨我們成長(zhǎng)。在第六個(gè)例子中，把門窗關(guān)好，把冰箱門開著，把整個(gè)房間作為研究系統(tǒng)，消耗了電能，這個(gè)電能轉(zhuǎn)化為整個(gè)房間的熱能，起不到制冷的效果，最終導(dǎo)致房間的溫度是升高的。著名心理學(xué)家皮亞杰對(duì)人的成長(zhǎng)做過詳細(xì)的追蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)兒童對(duì)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(xué)反應(yīng)上的原子守恒等依次建立起來，到了高中呢？應(yīng)當(dāng)會(huì)有更深層次認(rèn)識(shí)了，學(xué)生要從更高境界來認(rèn)知能量守恒定律。在物理學(xué)領(lǐng)域中，很多著名的物理學(xué)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(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)物理知識(shí)，走進(jìn)生活的過程中，時(shí)刻都沐浴在物理觀念的教育之中。教師應(yīng)該認(rèn)識(shí)到物理觀念的重要意義，認(rèn)識(shí)到學(xué)生讀書最寶貴的收益恰恰是我們?cè)诮裉旆Q之為物理學(xué)科素養(yǎng)的東西。在落實(shí)物理學(xué)科素養(yǎng)目標(biāo)的過程中，知識(shí)不僅是傳統(tǒng)意義上的課程內(nèi)容，它還是知識(shí)學(xué)習(xí)內(nèi)化為潛質(zhì)、潛質(zhì)外化為人的外顯行為的“介質(zhì)”?！蹲穼な睾懔俊芰俊返慕虒W(xué)，應(yīng)該更加關(guān)注過程與方法，關(guān)注能量守恒觀念形成的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。通過這節(jié)課的教學(xué)，讓學(xué)生了解了科學(xué)的研究方法，體驗(yàn)了猜想與假設(shè)的重要意義和科學(xué)的思維過程，促使學(xué)生形成守恒的觀念。重視過程方法，追尋守恒觀念，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到能量守恒思想對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的影響，為他們形成科學(xué)的世界觀和科學(xué)價(jià)值觀打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在生產(chǎn)與生活，在工作和科學(xué)探究的實(shí)踐過程中，我們也要運(yùn)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(xué)知識(shí)、科學(xué)思想、科學(xué)方法和科學(xué)精神戰(zhàn)勝偽科學(xué)。廣大物理教師有責(zé)任讓每一個(gè)學(xué)生建立能量守恒的觀念，并能運(yùn)用這個(gè)觀念觀察分析自然現(xiàn)象和社會(huì)現(xiàn)象，提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 徐秀珍. “追尋守恒量”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理通報(bào)，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(xué)教學(xué)參考，2018（8）：36-40.

（責(zé)任編輯 易志毅）