從能量守恒定律的教學談三維目標的實現(xiàn)

楊改花

從能量守恒定律的教學談三維目標的實現(xiàn)

楊改花

1 從“能量守恒”的發(fā)現(xiàn)史，體驗、領(lǐng)悟從現(xiàn)象到本質(zhì)的辯證認識過程

“能的轉(zhuǎn)化和守恒定律”是19世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)之一。回顧歷史，這一發(fā)現(xiàn)不是偶然的，它是在普遍聯(lián)系的大量實施的基礎(chǔ)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(lián)系的發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)化規(guī)律的深入思考。與此同時，其他領(lǐng)域內(nèi)也分別發(fā)現(xiàn)各種運動形式的相互轉(zhuǎn)化的聯(lián)系。1798年，湯普森發(fā)現(xiàn)大炮鉆孔時有大量熱產(chǎn)生；1800年，伏特發(fā)明化學電池；1801年，戴維發(fā)現(xiàn)電流的化學效應；1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應；1822年，賽貝克發(fā)現(xiàn)熱電動勢并制作熱電源；1833年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應；1840年，焦耳開展對電流熱效應的研究；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，都使各種運動形式間的相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化的辯證關(guān)系被充分揭示出來。正是在這樣的背景下，德國醫(yī)生邁爾于1845年在列舉25種相互轉(zhuǎn)化的事實的基礎(chǔ)上，從空氣的定壓比熱和定容比熱之差，算出大量可靠的實驗資料，能量轉(zhuǎn)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(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)運動形式的轉(zhuǎn)化。在物理教學中依據(jù)能量守恒的思想把中學物理各部分內(nèi)容有機聯(lián)系起來，把已有的規(guī)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(xiàn)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(tǒng)，這個孤立系統(tǒng)總能量不變。系統(tǒng)內(nèi)部只有重力，當物體運動時，系統(tǒng)內(nèi)的動能和勢能相互轉(zhuǎn)化，總的機械能不變。這就是機械能轉(zhuǎn)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(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系統(tǒng)做的功和傳給系統(tǒng)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(nèi)能的變化。一般的，物體內(nèi)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(jié)果

一個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，電源把化學能轉(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系統(tǒng)，當電荷q=It通過電路時，電池里有IEt的化學能轉(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(nèi)克服安培力所做的功為W=FvΔt=BILvΔt；在時間Δt內(nèi)感應電流所做的功為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定律得出的重要結(jié)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(xiàn)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(zhuǎn)化和守恒定律的必然結(jié)果。

2.5 愛因斯坦光電效應方程建立在能量守恒的基礎(chǔ)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(nèi)部運動，并不出來。而向金屬表面運動的電子，經(jīng)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(jù)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(guān)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(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，它蘊含在物理學的各個領(lǐng)域之中，是許多物理問題研究的最初依據(jù)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(nèi)容的理解，而且可以培養(yǎng)學生在處理復雜物理問題時，達到從自發(fā)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(tài)度與價值觀三維目標的實現(xiàn)。

（作者單位：河北省涉縣第一中學）

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