新課程背景下能量問題的探討

鄭洪均（福建省泉州市永春華僑中學(xué)）

新課程背景下能量問題的探討

鄭洪均
（福建省泉州市永春華僑中學(xué)）

能量問題的教與學(xué)是高中物理中的一個重難點，對高中能量問題的教與學(xué)現(xiàn)狀入手，抓本質(zhì)，分析規(guī)律。提出利用動能定理與機械能守恒定律結(jié)合，創(chuàng)新的開辟使用能量守恒的方法進(jìn)行教與學(xué)。通過結(jié)合分析物體的受力情況，列出物體初末狀態(tài)機械能。中間除重力外的其他力做功即為物體的機械能變化量的原因所在。讓學(xué)生理解機械能變化的原因，能量轉(zhuǎn)化到哪里去。將抽象的概念轉(zhuǎn)化為直觀、明朗的能量關(guān)系。從現(xiàn)象到本質(zhì)的方法，也是高中物理分析題目，構(gòu)建解題思路的重要方法途徑之一。通過實際授課，發(fā)現(xiàn)確實能夠使學(xué)生更容易理解能量間的相互轉(zhuǎn)化，更好地掌握能量規(guī)律，更好地運用能量守恒方法求解出題目。

能量；轉(zhuǎn)化；守恒；動能定理；機械能

能量的轉(zhuǎn)化與守恒是高中物理必須掌握的主干知識，是高考的考點和熱點，考查重點不停留于基本概念的理解，而是重在知識的應(yīng)用和分析解決物理問題，在整個高中物理中所占地位非同一般。高中物理教學(xué)中如何指導(dǎo)學(xué)生通過能量方法來構(gòu)建物理知識框架模型，應(yīng)用能量守恒的方法使題目化繁為簡，使學(xué)生更直觀明了地掌握物理知識間的聯(lián)系是個難題。新課程背景下，在高中物理教學(xué)中科學(xué)、高效地指導(dǎo)學(xué)生掌握能量規(guī)律與方法，對于提高學(xué)生的認(rèn)知水平，分析問題、構(gòu)建物理模型解決問題的能力有著重要意義。

一、解剖現(xiàn)狀，熟悉功能關(guān)系

學(xué)生對高中所學(xué)的能量基礎(chǔ)知識掌握不夠全面，能量間的轉(zhuǎn)化關(guān)系不清楚，無法構(gòu)建準(zhǔn)確的能量知識框架，是新課程背景下教學(xué)中的突出問題。

1.充分了解功和能之間的關(guān)系

不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功實現(xiàn)的。做功的過程就是各種形式的能量之間轉(zhuǎn)化（或轉(zhuǎn)移）的過程。且做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化（或轉(zhuǎn)移）。因此，功是能量轉(zhuǎn)化的量度。其中，恒力做功可用W=FScosα求解，變力做功通過能量轉(zhuǎn)變關(guān)系來求解。

2.了解能量的基本規(guī)律和定理

動能定理指合外力所做的功等于物體動能的改變。表達(dá)式：W合=EK2-EK1，其中W合=W1+W2+W3+…或W合=F合Scosα。EK2其中表示物體的末動能，EK1表示物體的初動能。

動能定理的特點：動能定理適用于宏觀低速的各種運動情況。機械能守恒定律是指在只有重力做功情況下，物體的動能與重力勢能和彈性勢能都可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但機械能總量不變。那就意味著除了重力外其他力做功，物體的機械能將不守恒。那么，增加或減小的機械能即為除重力外的其他力做功的總量。

3.深刻理解定理和定律的內(nèi)涵

動能定理中涉及各個力做功情況，但不涉及勢能，尤其是題目有阻力做功，同時又給出重力勢能多少時，就無法直接使用動能定理列方程式。必須通過重力做功與重力勢能轉(zhuǎn)化關(guān)系來判斷重力做功多少，過程中做功與勢能關(guān)系學(xué)生很容易判斷出錯。動能定理的使用，僅規(guī)定合外力做功與動能的關(guān)系，沒有直觀地闡釋物體動能與勢能轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系。

機械能守恒定律中，形象地闡釋了動能與勢能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。學(xué)生理解掌握相對比較容易。但機械能守恒的條件要求只有重力或彈力做功時才能守恒，一旦出現(xiàn)有阻力做功時，就無法使用機械能守恒定律，存在明顯的不足。

動能定理與機械能守恒定律兩種方法有各自的優(yōu)點，也有各自的不足與局限性，在教學(xué)過程中，如何形象地使學(xué)生了解能量間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，指導(dǎo)學(xué)生綜合利用能量方法來列方程式求解，對教師提出了較高的要求。

二、深度剖析，提取能量精粹

1.能量轉(zhuǎn)化的幾種常見類型

除重力外只有彈簧彈力做功，物體機械能與彈簧彈性勢能相互轉(zhuǎn)化。除重力外，如果只有滑動摩擦力做功，做正功時物體機械能增加，摩擦力做負(fù)功時，機械能減少。除重力外只有電場力對宏觀物體做正功，物體機械能增加，負(fù)功時，機械能減少。除重力外，只有安培力做正功時機械能增加，負(fù)功時，機械能減少，等等多種力做功導(dǎo)致的機械能改變。物體機械能發(fā)生改變的量度等于除重力外的其他力做功的多少。單個物體機械能發(fā)生改變，但是整個系統(tǒng)能量是守恒的，滿足能量守恒定律。

2.抓住本質(zhì)，創(chuàng)新解題方法

根據(jù)能量守恒定律，能量不會憑空產(chǎn)生也不會憑空消失。如果除重力外其他力不做功或做功之和為零，則初狀態(tài)的機械能將會等于末狀態(tài)的機械能；若除重力外其他力做正功，則外界給物體轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化入能量，機械能增加；若除重力外其他力做負(fù)功，物體的能量損失，則物體的機械能就會減少。重力以外的其他力所做的功是機械能改變的量度。能量守恒定律關(guān)系是：初狀態(tài)機械能+WG外=末狀態(tài)機械能，其中初狀態(tài)機械能為初狀態(tài)的動能與重力勢能之和，WG外為除重力外的其他力做功之和，末狀態(tài)機械能為末狀態(tài)的動能與重力勢能之和。

能量守恒定律示意圖如圖所示：

討論帶電粒子在電場中運動的能量守恒問題，只需將初、末狀態(tài)的能量加入電勢能即可。電勢能變化等于電場力做功，由于一般微觀帶電粒子不考慮重力，可以去掉重力勢能。

三、分析典例，實現(xiàn)舉一反三

如下圖所示，水平地面光滑，固定的傾斜角為θ的粗糙斜面頂端裝有一個輕彈簧，地面上質(zhì)量為m的物體以速率υ向左滑行并沖上斜面，壓縮彈簧至B點時彈簧最短，B點離地面的高度為h，物體與斜面間的動摩擦因數(shù)為μ，求彈簧壓縮至B點時的彈性勢能EP。

解析：分別選取出發(fā)位置與B點為初、末位置，初位置為零勢能面。依題意可知，物體初狀態(tài)只具有速度υ，初狀態(tài)只具有動能mv2，末狀態(tài)只具有高度h，物體末狀態(tài)能量只具有重力勢能mgh，整個過程除重力做正功外，摩擦力做負(fù)功損失能量-μmg， mv2-彈簧彈力做負(fù)功使物塊減少，能量轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能-EP，據(jù)能量守恒有，解得彈性勢能

綜上所述，從能量基礎(chǔ)知識的構(gòu)建，到揭示能量本質(zhì)規(guī)律，再到綜合分析提高應(yīng)用能力，有意識引導(dǎo)學(xué)生在新課程背景下通過能量守恒角度分析問題、處理問題，不僅能比較直觀、簡便，更能使學(xué)生從理解的基礎(chǔ)上更高層次來把握物理規(guī)律，開闊思路，切實提高分析問題和解決問題的能力，從而提升教與學(xué)的效果。

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［2］臺字利.能量教學(xué)中應(yīng)注意的幾個問題［J］.延邊教育學(xué)院學(xué)報，2005（4）.

［3］趙麗.高中物理教學(xué)要突出能量守恒主線［J］.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)漢文版，2003（S1）.

·編輯薄躍華