從能量守恒定律的教學談三維目標的實現

楊改花

從能量守恒定律的教學談三維目標的實現

楊改花

1 從“能量守恒”的發現史，體驗、領悟從現象到本質的辯證認識過程

“能的轉化和守恒定律”是19世紀自然科學的三大發現之一。回顧歷史，這一發現不是偶然的，它是在普遍聯系的大量實施的基礎上，通過眾多科學家艱辛探索而最終得出的。這段史料，是學生體驗科學探究過程的美好“教材”。

普遍聯系的發現，開始于18世紀末到19世紀初。當時蒸汽機的廣泛采用，人們對熱機效率以及機器中的摩擦生熱問題的研究，特別是永動機設計屢屢失敗的事實，大大促進人們對能量轉化規律的深入思考。與此同時，其他領域內也分別發現各種運動形式的相互轉化的聯系。1798年，湯普森發現大炮鉆孔時有大量熱產生；1800年，伏特發明化學電池；1801年，戴維發現電流的化學效應；1820年，奧斯特發現電流的磁效應；1822年，賽貝克發現熱電動勢并制作熱電源；1833年，法拉第發現電磁感應；1840年，焦耳開展對電流熱效應的研究；1842年，邁爾發現“落下的力”可以使物體溫度升高。所有這些，都使各種運動形式間的相互聯系和相互轉化的辯證關系被充分揭示出來。正是在這樣的背景下，德國醫生邁爾于1845年在列舉25種相互轉化的事實的基礎上，從空氣的定壓比熱和定容比熱之差，算出大量可靠的實驗資料，能量轉化和守恒定律才最終鞏固地建立起來。

2 縱覽中學物理各部分內容，“能量轉化與守恒”思想貫穿始終

在自然界中，能量守恒支配著各種物質運動形式的轉化。在物理教學中依據能量守恒的思想把中學物理各部分內容有機聯系起來，把已有的規律換一個角度去思考，不但可能加深對已有知識的理解，而且可以通過新的梳理融會貫通。

2.1 機械能守恒是能量守恒定律在力學中的表現形式

研究地球上的物體自由落體或拋體，若不計空氣阻力，把物體和地球看做一個系統，這個孤立系統總能量不變。系統內部只有重力，當物體運動時，系統內的動能和勢能相互轉化，總的機械能不變。這就是機械能轉化和守恒定律。

2.2 熱力學第一定律是能量守恒定律的具體表述

從能的轉化和守恒定律出發，非孤立系統的能量變化等于外界對系統做的功和傳給系統的熱量之和。對機械能不變的靜止物體，其能量的變化只是物體內能的變化。一般的，物體內能的變化量等于外界對物體做的功與傳給物體的熱量之和，這就是熱力學第一定律。

2.3 電學中的歐姆定律是能量守恒的必然結果

一個以電池為電源的電路，外電路電阻為R，電池內阻為r，電路中通一穩恒電流I時，電源把化學能轉化為電能，在電路中電能又轉化為內能。把包括電池的電路看做一個系統，當電荷q=It通過電路時，電池里有IEt的化學能轉化為電能，在內外電阻上產生I2(R+r)t的焦耳熱。根據能量守恒有IEt=I2(R+r)t，即I=E/(R+r)。這就是閉合電路歐姆定律。

2.4 在電磁感應現象中能的轉化和守恒更為普遍

把矩形線框abcd放在勻強磁場里，線框平面跟磁感線垂直，當線框可動部分ab以速度v向右運動時，感應電流I在磁場中所受的安培力方向是向左的，大小為F=BIL；為了保持導線ab勻速向右運動，加在導線ab上向右的外力大小應該跟安培力F相等。在Δt時間內克服安培力所做的功為W=FvΔt=BILvΔt；在時間Δt內感應電流所做的功為W=IEΔt。根據能量守恒有IEΔt=BILvΔt，即E=BLv。這正是利用法拉第電磁感應定律得出的重要結果之一。事實上，在電磁感應中，感應電流取楞次定律所述的方向，以及自感現象中自感電動勢總是阻礙回路電流變化的事實，都是能的轉化和守恒定律的必然結果。

2.5 愛因斯坦光電效應方程建立在能量守恒的基礎上

在光電效應中，電子吸收光子的能量后，可能向各個方向運動，有的向金屬內部運動，并不出來。而向金屬表面運動的電子，經過的路徑不同，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金屬表面后的動能。依據能量守恒有1/2mvm

2=hv-W。這正是愛因斯坦的光電效應方程。

2.6 在原子和原子核物理中能量守恒定律依然適用

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

3 小結

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，它蘊含在物理學的各個領域之中，是許多物理問題研究的最初依據和最終歸宿。引導學生用能量的觀點縱觀中學物理知識，不僅加深對能量守恒定律本身內容的理解，而且可以培養學生在處理復雜物理問題時，達到從自發運用到自覺運用的理性升華，獲得知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三維目標的實現。

（作者單位：河北省涉縣第一中學）

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