滲透守恒思想，發(fā)展“能量觀”，促進思維提升

◇ 金朝娣 姚 芳 耿 薇

新課程標準提出，能量觀是物理學(xué)科核心素養(yǎng)要素中物理觀念的重要組成部分.能量觀的核心內(nèi)容是：自然界中有多種形式的能量，能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程中，有些能量變化，而總能量保持不變.所以能量是“守恒量”，而守恒量對應(yīng)的守恒關(guān)系是自然界中重要的關(guān)系，更是解決物理問題的重要工具.此外，能量涉及的守恒思想也是學(xué)生需重點領(lǐng)悟和應(yīng)用的一種物理學(xué)思想方法.縱觀近幾年的高考、等級考、合格考等重要考試，利用守恒思想解決物理問題是重要的考查方向之一.

運用守恒思想解決實際問題能力的高低，取決于學(xué)生對各類守恒定律的理解程度.在針對性復(fù)習(xí)時，除知悉具體知識考查要點外，還應(yīng)從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度，分析此類試題的命題立意和考查目標，借助守恒的觀點正確高效地分析復(fù)雜問題，在促進具體知識提升的同時，逐步滲透守恒思想.

下面筆者以京師AI聯(lián)考中一道與“守恒”相關(guān)的物理計算題為例，從學(xué)科核心素養(yǎng)的視角出發(fā)，挖掘原題中的考查目標、思維障礙點和答題技巧，從逐點擊破到歸納整合，幫助同學(xué)們在形成清晰知識脈絡(luò)的同時，逐步學(xué)會以能量的觀點和守恒的思想來分析復(fù)雜問題，從而在備考中實現(xiàn)高效復(fù)習(xí).

原題呈現(xiàn)：如圖1所示，光滑水平地面的左端固定一光滑的半徑為R的圓形軌道BC，水平地面與圓形軌道相切于C點，水平地面上有一輕質(zhì)彈簧，其右端連接一質(zhì)量為3m的小球Q，小球處于靜止狀態(tài)，現(xiàn)有一質(zhì)量為m的小球P從B點正上方距B為R的高處由靜止釋放，兩小球均可視為質(zhì)點，重力加速度為g.

圖1

(1)求在小球P壓縮彈簧的過程中，彈簧儲存的最大彈性勢能Ep；

(2)若小球P從B點上方高H處由靜止釋放，第一次經(jīng)過C點后，立即將BC換成半徑也為R的固定光滑圓弧軌道CBD，與水平面仍相切于C點，為使小球P經(jīng)彈簧反彈后恰能通過軌道CBD的最高點，求H.

1 核心素養(yǎng)視域下試題指向能量觀的考查目標

本題主要涉及的核心素養(yǎng)要素為：物理觀念和科學(xué)思維，其中物理觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，具體包括物質(zhì)觀、運動觀、能量觀、相互作用觀.

1)以“多過程”為切入點，考查學(xué)生對于能量概念的理解

此題需要學(xué)生清晰、系統(tǒng)地理解試題涉及的動量、動能、勢能和機械能等物理概念，靈活利用動量守恒定律和機械能守恒定律解決多過程、綜合性的問題，在解決問題過程中形成能量觀.能量概念之所以重要，是因為它是個“守恒量”，而這個“守恒量”又包含了動能、勢能和機械能等各種能量概念，這些能量概念往往是學(xué)生容易混淆的內(nèi)容.

2)滲透守恒思想，促進科學(xué)思維的發(fā)展

建構(gòu)模型，熟練利用物理規(guī)律和科學(xué)方法解決具體的物理問題，是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑.此題需要根據(jù)情境確定運動模型，同時借助牛頓第二定律、動量守恒定律和機械能守恒定律來解決多過程問題，從而促進科學(xué)思維的發(fā)展.

該題涉及的能量觀的具體知識點和關(guān)鍵能力的培養(yǎng)如表1所示.

表1 指向?qū)W科核心素養(yǎng)的考查目標

2 思維障礙點分析及對策

1)從多過程情境中抽取物理模型的能力欠缺，制約了科學(xué)推理

遇到多過程情境時，需要挖掘情境中的隱含條件，把整個過程進行分解，抽象出典型的物理模型，并對具體的模型進行研究，最后利用核心概念和規(guī)律進行科學(xué)推理，這是培養(yǎng)科學(xué)思維的重要途徑之一.

本題第(1)問求在小球P壓縮彈簧的過程中，彈簧儲存的最大彈性勢能.如果在解題時沒有分解過程并建立運動模型的意識，對于此問會陷入毫無頭緒或生搬硬套公式的錯誤思路.如果以小球P為研究對象，通過受力分析，不難發(fā)現(xiàn)，小球P從B點正上方距B為R的高處由靜止釋放到壓縮彈簧的過程共涉及4個過程，分別對應(yīng)4個物理運動模型.同理可得，第(2)問小球P涉及的過程有6個，具體如表2所示.

表2 多過程問題中的物理量變化梳理(以小球P為研究對象)

通過梳理過程，知道了哪些物理量變化，哪些不變，就能很快明確各類能量轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的來源和去向，為解題奠定了基礎(chǔ)，同時初步判定動量守恒定律和機械能守恒定律的條件.

2)對各類能量概念和守恒定律認識“似是而非”，解決問題時“生搬硬套”

很多同學(xué)將物理公式或守恒定律熟記于心，卻忽略了對各類能量概念、功的概念、做功的定義以及守恒規(guī)律的深入理解，導(dǎo)致應(yīng)用時混淆不清，“似是而非”.

例如，此題涉及動能、彈性勢能、重力勢能和機械能的概念，涉及動量守恒定律和機械能守恒定律，根據(jù)筆者經(jīng)驗，學(xué)生對于動能、彈性勢能和重力勢能的概念較為清晰，但對于機械能容易出錯，最典型的錯誤是很多學(xué)生將電場中的電勢能誤認為是機械能.另外，很多學(xué)生容易將動量定理和動量守恒定律混淆，解決問題時“生搬硬套”.

3)各類功能關(guān)系混淆不清，甚至“張冠李戴”

能量轉(zhuǎn)化一定伴隨著做功，絕大部分同學(xué)清楚彈力做功、重力做功分別引起彈性勢能和重力勢能的變化，但一些同學(xué)對于合外力做功，或除了重力和彈力以外的力做功會引起什么能量變化并不清楚.在解決此題時，容易將機械能守恒定律、動能定理和能量守恒定律“張冠李戴”.

4)科學(xué)方法的缺乏制約解題效率

此題雖涉及能量觀，但屬于多過程的綜合性問題，解決此類物理問題時，除抽取物理模型、深入理解基本概念和規(guī)律以及明確規(guī)律的應(yīng)用條件外，還要選擇合適的科學(xué)方法來提高解題效率.比如，此題第(1)問小球P與彈簧接觸直到彈簧被壓縮到最短、小球P與Q共速，這一過程可以類比完全非彈性碰撞，再如，第(2)問小球P與彈簧接觸直到彈簧恢復(fù)原長、小球P再次離開彈簧這一過程可以類比彈性碰撞.

如果考生能熟練應(yīng)用類比的方法，結(jié)合正確分解過程，構(gòu)建準確的物理模型，清晰各類能量概念和守恒定律的應(yīng)用條件，此題就會迎刃而解.具體解題過程如下：

(1)小球P從A點運動到C點的過程中，由機械能守恒定律有

當P、Q兩球速度相等時，彈簧具有的彈性勢能最大，設(shè)共同速度為v，由動量守恒定律有

由能量守恒定律得

(2)設(shè)小球從P點上方高為H處釋放，到達水平面的速度為.由機械能守恒定律有mg(H＋R)＝彈簧被壓縮后再次恢復(fù)原長時設(shè)小球P和Q的速度大小分別為v1和v2，則根據(jù)動量守恒定律有＝－mv1＋Mv2.根據(jù)機械能守恒定律有

若小球恰能通過軌道CBD的最高點，由牛頓第二定律有.由機械能守恒定律有

由以上關(guān)系得H＝9R.

3 此題對涉及能量觀綜合類問題復(fù)習(xí)的導(dǎo)向性

1)重視各種物理概念的理解、功能關(guān)系的梳理，促進能量觀的進一步發(fā)展

物理概念和規(guī)律是考生形成物理觀念的有機組成部分，更是從碎片知識到概念體系，從具體方法到科學(xué)思維過程中不可或缺的一步.而對能量概念的清晰認識和深刻理解是追尋“守恒量”的基礎(chǔ)，既能知曉做“功”和“能量”的區(qū)別，又能將“功”和“能量”聯(lián)系起來，梳理出正確的功能關(guān)系，明確能量轉(zhuǎn)化的來源和去向，是解決能量問題的關(guān)鍵，也是促進能量觀進一步發(fā)展的必備要素.

2)尋找多過程中各種能量的“變”與“不變”，滲透守恒思想

遇到綜合性強，特別是多過程性問題時，要學(xué)會應(yīng)用分解的思想，將大過程細化成小過程進行分析.不妨采用列表的形式，梳理各過程中哪些能量是變化的，哪些是不變的，并反思為什么變化，為什么不變，思考因果關(guān)系的同時，逐步滲透守恒思想.最后將小過程中的核心問題結(jié)合成一個整體進行綜合分析和認識，在發(fā)展能量觀的同時，科學(xué)思維也將得到提升.

3)應(yīng)熟悉科學(xué)思想和方法，促進整合歸納能力的提升

中學(xué)物理教學(xué)涉及很多科學(xué)思想和方法，例如類比思想、逆向思維、等效思想、割補法等，在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)善于總結(jié)和應(yīng)用，促進解題思維高度和維度的提升，養(yǎng)成全面看待問題的習(xí)慣和思維品質(zhì).

4 總結(jié)與反思

涉及能量觀的綜合類物理問題是各類考試的重要考查方向，解決此類問題時，應(yīng)圍繞核心概念和規(guī)律，借助模型構(gòu)建并熟悉能量轉(zhuǎn)化的來源和去向.在解決問題過程中，多角度分析問題，不僅能提升具體知識的理解，還能促進科學(xué)思維的發(fā)展.