勿讓課堂成為學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的源頭
——談?wù)劇皺C(jī)械能守恒”與“機(jī)械能不變”

李正德

(南京大學(xué)附屬中學(xué) 江蘇 南京 210008)

勿讓課堂成為學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的源頭
——談?wù)劇皺C(jī)械能守恒”與“機(jī)械能不變”

李正德

(南京大學(xué)附屬中學(xué) 江蘇 南京 210008)

“機(jī)械能守恒”與“機(jī)械能不變”是兩個(gè)不同的概念,它們的內(nèi)涵寬度不一樣．“機(jī)械能守恒”中不但包含了“機(jī)械能不變”,而且包含著守恒條件和討論守恒的必要性；“機(jī)械能不變”只是“機(jī)械能守恒”中數(shù)量關(guān)系的一種表達(dá),不能作為“機(jī)械能守恒”的等效表述．因此,在物理規(guī)律的理解和學(xué)習(xí)中,必須注意理解和挖掘物理概念、物理規(guī)律的表達(dá)形式跟它們的全部?jī)?nèi)涵和外延之間的區(qū)別與聯(lián)系，勿簡(jiǎn)單的處理，讓課堂成為學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的源頭．

機(jī)械能守恒 機(jī)械能不變 系統(tǒng) 力做功

近日在一次聽(tīng)課活動(dòng)中，教師講授完“機(jī)械能守恒”的相關(guān)知識(shí)后，提出了一個(gè)問(wèn)題:“如圖1所示，在高H傾角為θ的斜面上用一沿斜面向下的力F拉著一物塊m向下滑，力F與物體所受阻力f大小相等，問(wèn)這個(gè)物塊沿斜面下滑時(shí)的機(jī)械能守恒嗎?”

教師帶領(lǐng)同學(xué)們經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為F=f相當(dāng)于沒(méi)有受到這兩個(gè)力的作用，全過(guò)程只有重力做功，所以機(jī)械能守恒．這種情況是“機(jī)械能守恒”嗎？筆者認(rèn)為這種情況應(yīng)該稱作為“機(jī)械能不變”！

圖1 物塊與斜面體

實(shí)際上,物塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到重力G，斜面的支持力FN，沿斜面向下的水平拉力F和沿斜面向上的摩擦阻力f等4個(gè)力作用,其中支持力FN不做功,但重力、拉力和摩擦力都做功．這里的拉力和摩擦力屬于系統(tǒng)外力(這里的系統(tǒng)是指物塊和地球組成的系統(tǒng)),外力做功必然引起系統(tǒng)的機(jī)械能跟外界其他形式能之間的轉(zhuǎn)化,因而,機(jī)械能是不守恒的．具體地說(shuō),物塊克服摩擦力做功,使物塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為物塊和斜面的內(nèi)能,物塊的機(jī)械能減少；拉力對(duì)物塊做功,使外界其他形式的能轉(zhuǎn)化為物塊的機(jī)械能,物塊的機(jī)械能增加．顯然,在物塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,物塊的機(jī)械能與其他形式的能在發(fā)生著轉(zhuǎn)化．只是拉力對(duì)物塊做的功剛好跟物塊克服摩擦力做的功絕對(duì)值相等,用外界其他形式的能補(bǔ)充了物塊因克服摩擦力而損失的機(jī)械能,才使得物塊的機(jī)械能在數(shù)值上保持了不變,但這不能叫做“機(jī)械能守恒”應(yīng)該稱作為“機(jī)械能不變”．

圖2 物塊受力分析

為什么學(xué)生會(huì)認(rèn)為上述情況是“機(jī)械能守恒”呢？在人教版《物理·必修2》教材中對(duì)機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容表述為:在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變，這叫做機(jī)械能守恒定律．并在這段文字后面教材還明確指出了它是力學(xué)中的一條重要的定律，是普遍的能量守恒定律的一種特殊情況[1]．但是在對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解和應(yīng)用中存在有各種各樣的錯(cuò)誤，特別是對(duì)機(jī)械能守恒的理解上，尤其是在判斷哪個(gè)研究對(duì)象機(jī)械能是否守恒等問(wèn)題上．究其原因還是對(duì)教材上定律的表述理解不透，或者是在內(nèi)涵理解上的偏差造成的．

人教版《物理·必修2》教材教師教學(xué)用書中第七章第8節(jié)“機(jī)械能守恒”的教學(xué)建議指出：“在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)”是機(jī)械能守恒的條件，機(jī)械能包括物體的動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能．而重力做功和彈力做功只對(duì)應(yīng)著物體重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能的變化，即機(jī)械能內(nèi)部的相互轉(zhuǎn)化．其實(shí)，嚴(yán)格的說(shuō)法應(yīng)為“系統(tǒng)所受外力和系統(tǒng)內(nèi)部非保守內(nèi)力不做功”．但這對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，是較難理解的．對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生可以這樣深入分析，而對(duì)多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)，只要通過(guò)一些實(shí)際事例來(lái)說(shuō)明，能使學(xué)生理解機(jī)械能守恒的條件就可以了[2]．

的確在普通物理學(xué)中對(duì)機(jī)械能守恒定律的表述是:“如果一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)只有保守力做功,其他內(nèi)力和外力都不做功,則系統(tǒng)內(nèi)各物體的動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化,但機(jī)械能的總值不變．”在這個(gè)表述中,有3個(gè)方面的內(nèi)涵需要引起我們的注意:

一是機(jī)械能守恒的條件為“只有系統(tǒng)內(nèi)的保守力做功,其他內(nèi)力和外力都不做功”,如果有保守力(如重力和彈簧的彈力)以外的內(nèi)力或外力做功,系統(tǒng)的機(jī)械能就一定不守恒;

二是有“系統(tǒng)內(nèi)各物體的動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化”才有必要談機(jī)械能守恒,如果沒(méi)有物體間動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化,各物體的機(jī)械能本來(lái)就是不變的,這時(shí)強(qiáng)調(diào)的是沒(méi)有除機(jī)械能以外的某種形式能量參與；

三是“機(jī)械能的總值不變”只是“機(jī)械能守恒”中初、末態(tài)機(jī)械能數(shù)量關(guān)系的一種反映,它并不代表機(jī)械能守恒定律的全部?jī)?nèi)容．只有同時(shí)具備機(jī)械能守恒條件、有動(dòng)能與勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化、機(jī)械能總量不變這3個(gè)因素,談“機(jī)械能守恒”才是科學(xué)的[3]．

那么對(duì)學(xué)生而言怎樣理解機(jī)械能守恒的條件，才能判斷出“物塊的機(jī)械能守恒”？對(duì)于某個(gè)系統(tǒng)而言，判斷機(jī)械能是否守恒的條件，可以從兩個(gè)角度去理解：

(1)從力做功的角度：嚴(yán)格的說(shuō)，重力勢(shì)能是地球與物體所組成的物體“系統(tǒng)”所共有的．而彈性勢(shì)能是因?yàn)閺椓Φ南嗷プ饔枚M成的“系統(tǒng)”所共有的．因而對(duì)于某個(gè)系統(tǒng)而言，判斷其機(jī)械能是否守恒，從力做功的角度來(lái)看，應(yīng)該是系統(tǒng)內(nèi)只有重力或彈力做功，系統(tǒng)所受外力和系統(tǒng)內(nèi)部非保守內(nèi)力不做功．簡(jiǎn)而言之，就是除了系統(tǒng)內(nèi)重力或彈力其他力不做功，不是不作用．

(2)從能量轉(zhuǎn)化的角度：對(duì)于某個(gè)系統(tǒng)，從能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)看，判斷其是否滿足機(jī)械能守恒的條件是系統(tǒng)內(nèi)只有動(dòng)能和勢(shì)能(包括重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能)之間的轉(zhuǎn)化，而沒(méi)有機(jī)械能和其他形式能之間的轉(zhuǎn)化．

因此教師授課時(shí)如果只注重了物塊初、末狀態(tài)機(jī)械能數(shù)量關(guān)系上的證明,而沒(méi)有從物理過(guò)程條件中對(duì)物塊機(jī)械能是否守恒進(jìn)行分析和討論,往往會(huì)得出了不正確的結(jié)論．“機(jī)械能守恒”與“機(jī)械能不變”是兩個(gè)不同的概念,它們的內(nèi)涵寬度不一樣．“機(jī)械能守恒”中不但包含了“機(jī)械能不變”,而且包含著守恒條件和討論守恒的必要性；“機(jī)械能不變”只是“機(jī)械能守恒”中數(shù)量關(guān)系的一種表達(dá),不能作為“機(jī)械能守恒”的等效表述．文章第一段問(wèn)題中,物塊的機(jī)械能是不守恒的,而恰恰物塊的機(jī)械能又是不變的．因此,在物理規(guī)律的理解和學(xué)習(xí)中,必須注意理解和挖掘物理概念、物理規(guī)律的表達(dá)形式跟它們的全部?jī)?nèi)涵和外延之間的區(qū)別與聯(lián)系，勿簡(jiǎn)單的處理，讓課堂成為學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的源頭．

1 張大昌. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·必修2.北京：人民教育出版社，2015.75～77

2 杜敏. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·必修2教師教學(xué)用書.北京：人民教育出版社，2015.121～124

3 吳吉成. “機(jī)械能守恒”與“機(jī)械能不變”是一回事嗎.《高考》理科班, 2008 (5-6):101～102

2017-03-05)