基于核心素養的能量守恒定律的教學

張曉

一、能量守恒定律的概念進階

對學生來說，能量守恒定律的學習主要有三個過程。

第一個過程是初中階段，學生初步認識動能、勢能，也簡單了解化學能、太陽能等其它形式的能量，知道動能和勢能之間可以相互轉化，定性了解能量守恒，主要是機械能守恒，沒有定量計算，也沒有推理和論證。這是學生初步接觸能量守恒，初步認識能量守恒，初步建立能量守恒的思想。

第二個過程是在高中物理必修2課程中，機械能部分，從功和能的角度論證了機械能守恒定律，涉及到了定量計算，與初中相比邏輯更嚴密，認識更深刻，在教科版和人教版的教材中，隨后均安排了能量守恒定律的內容及能源的開發與利用等內容，進行了適度的拓展和加深。與初中內容相似，只是定量了，這就進了一大步。這時的學生對能量守恒的認識深刻了一些，也能用能量守恒定律分析和解決一些簡單的問題，對第一類永動機不能實現的認識會更深刻一些。

第三個過程是高中物理選修3-3課程中，熱力學定律與能量守恒部分，這個過程也是最重要的過程，是前面兩個過程的深化與拓展，是學生形成正確而全面的能量守恒思想的關鍵，無論是人教版還是教科版，教材都安排了豐富的內容，主要是熱力學定律，從內能與機械能轉化的角度進一步說明了能量守恒，同時，還告訴我們兩點，其一是能量轉化是有方向性的，比如熱量可以自發地從高溫物體傳給低溫物體，而不能自發地從低溫物體傳給高溫物體，在摩擦生熱的過程中機械能可以很容易轉化為內能，而內能不容易完全轉化成機械能而不引起其它變化，這就是熱力學第二定律;其二是能量是有品質的，電能的應用非常廣泛，風能、水能是綠色無污染的能源，煤炭、石油是常規能源，污染比較嚴重，所以，盡管能量是守恒的，我們還一定要節約能源，為后人造福，強調可持續發展。這就要求學生要有辯證的思想、洞察一切的眼光，全面深刻認識能量守恒定律這一自然界的基本規律。

二、能量守恒定律的建立過程

（一）背景：各種類型的能量之間是可能相互轉化的

（二）能量守恒定律的創立過程

主要有三個代表人物：

1.邁爾（1814-1878）

德國的醫生，物理學家。邁爾從生理學的角度開始對能量進行研究，他從“無不生有，有不變無”的哲學觀念出發，表達了對能量轉化和守恒思想，他分析了25種能量的轉化和守恒現象，成為世界上最先闡述能量守恒思想的人。

2.焦耳（1818-1889）

英國物理學家，焦耳對能量守恒的研究工作始于電流的熱效應，1840年得到了焦耳定律，在此后30多年，先后做實驗400多次，測得了大量數據，測出了熱功當量的數值。這一結論為能量守恒定律建立了牢固的實驗基礎。

3.亥姆霍茲（1821-1894）

德國物理學家，1847年，在柏林物理學會議上，他分析了化學能、機械能、電磁能、光能等不同形式的能的轉化和守恒，并且把結果跟永動機不可能制造成功聯系起來，他認為不可能無中生有的創造一個永久的推動力，機器能能轉化能量，不能創造和消滅能量。亥姆霍茲在論文里對能量守恒定律作了一個清晰、全面而且概括的論述，使這一定律為人們廣泛接受。

三、能量守恒定律的驗證

（一）實驗探究

我們做過驗證機械能守恒定律的實驗，是通過自由落體運動過程中速度和位移的測量來驗證機械能守恒，我們可以設置新的實驗來驗證能量守恒。

比如：如圖所示實驗裝置，通過電流、電壓、時間的測量，計算消耗的電能，通過水溫的測量計算水吸收的熱量，兩者對比就可以得到能量守恒的結論。

（二）理論推導

對于機械能守恒，學生一般都能進行理論推導驗證，我們還可以創設一些新的情景，運用我們學過的知識，通過理論論證能量是守恒的。

（三）永動機不能實現也是能量守恒定律的有力證據。可通過圖片展示各種永動機模型，比如右圖所示永動機模型，上面水槽中的水，從底部出水口流下時，沖擊葉片，葉片帶動水輪機，將下面水槽中的水抽到上面的水槽中，如此往復，永不停止。是這樣的嗎？不可能，葉片不可能帶動水輪機將水抽到高處。看似有道理的各類永動機都是不能實現的。

還可以讓學生觀看網上傳播的永動機視頻，讓學生明白一個道理，沒有任何能量消耗，卻源源不斷地向外輸出能量，這是絕不可能的，科學容不得半點虛假。

在實驗探究、科學論證的基礎上，我們完全有理由相信，在任何能量轉化過程中，能量的總量一定保持不變，進行了合理的外推后，我們就得到能量守恒定律了。

四、能量守恒定律的拓展與加深

在這節課的最后，我會拋出一個問題：既然能量是守恒的，能量總量即不會憑空消滅，也不會憑空產生，為什么還會有“能源危機”呢？這個問題請大家課后思考討論。

其實是想告訴學生，能量是有序的，不同形式能量的品質是不一樣的，激發學生對后續學習的興趣。