初中物理能量觀念內涵的深度分析

【摘要】闡述了初中物理中由能量概念向能量觀念轉變的過程，對能量觀念的定義和表現進行了分析。基于初中物理課程標準，將能量觀念分解為能量本質觀、能量來源觀、能量形式觀、能量傳遞及轉化觀、能量守恒觀、能量耗散觀和能量利用觀七個子觀念，對每個子觀念的內涵進行了詳細的討論。

【關鍵詞】核心素養? 能量觀念? 初中物理

【基金項目】云南省文山州教育科學“十三五”規劃重點課題（文教體發[2020]12號）;文山學院教學改革研究項目（WYZL 200502）。

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）07-0170-03

能量觀念是中學物理核心素養之物理觀念的重要組成部分[1]。在物理觀念中，能量觀念是內涵最豐富、應用最廣也是最基本的觀念，同時也是較難形成的一種觀念。針對高中物理能量觀念的研究，其理論和體系已經趨于成熟[2-4]。但對于初中物理，由于缺乏基于核心素養的國家課程標準，關于初中物理核心素養問題的研究還處于探索階段，已有的研究也主要是以教學設計案例為主，不管是理論層面還是指標體系，都還有很多問題沒有解決。關于初中物理中能量觀念的內涵問題，目前還沒有標準化的答案，對于學生的認知水平也沒有清晰權威的描述，導致教師在教學中難以落實核心素養的要求。基于以上背景，根據最新版的初中物理課程標準，本文對初中物理能量觀念的內涵進行詳細研究，從七個層面分析初中物理能量觀念的支撐體系和內容，為教師在初中物理教學中落實物理核心素養的要求打好基礎。

1.從能量概念到能量觀念

與其他的物理概念不同，能量是一個極其抽象且難以用精確的物理語言進行定義的概念。對能量的定義，更多的是從其表征的物理意義來進行說明，能量是物質運動轉換的量度，表征的是物理系統做功本領的強弱。從微觀到宏觀再到宇觀，從低速物體到高速物體，從經典物理到現代物理，能量都貫穿始終。能量也是少有的能橫跨多個自然科學學科的概念，在化學和生物等學科中也都離不開能量的概念。此外，能量也是最讓人費解的概念，生活中，常常用“正能量”和“負能量”來形容一個人，能量的概念與人的精神狀態和心理效應也聯系在了一起。

能量，是初中物理教學的三大主題之一，然而學生根本不知道如何定義能量，對書中能量的描述也較難理解，但學生能接觸到機械能、電能、風能等多種形式的能量，而且自然界中的能量不是孤立的，不同的能量在特定的條件下可以相互轉化，能量的計算也是經常學習的主題。能量的概念與功聯系在一起，功是力與物體在力的方向上通過路程的乘積，而對力的概念辨析又回到了許多物理問題研究的起點。這些概念或理論自己構成了一個純人工的、巧妙的圈套，層層嵌套，相互關聯，對現實生活現象準確無誤地描述和計算成了它們應當繼續發展下去的理由[5]。最終，物理學和生活中的很多問題，都可以用能量守恒定律來統一描述，并得出了質量就是能量的結論，在這個過程中，能量的概念也隨之上升到了能量觀念層次。

可以借鑒物理觀念的定義[1]，將能量觀念定義為對于物理學中能量相關問題的基本認識，是能量相關概念及規律等在頭腦中的提煉與升華，是關于能量的研究對象、過程、方法和結果在學生頭腦中整體的、概括的反映。初中物理的能量觀念可以從能量的本質、能量的來源、能量的形式、能量的傳遞及轉化、能量守恒、能量的耗散和能量的利用七個方面進行構建。

2.能量觀念的內涵

2.1 能量本質觀

能量本質觀需要回答能量是什么的問題。人教版初中物理教材中對能量的定義：物體能夠對外做功，就說它具有能量。嚴格來說，這并不是能量的定義，也沒有對能量的本質進行說明和解釋，它只是對能量在力學方面的特征進行了描述，只是在力學層面說明了判斷物體是否具有能量的標準。這種標準即使在初中階段也是不全面的，因為除了做功，能量還可以光的輻射和熱的傳遞等形式體現。在初中階段，對能量的定義，應理解為對機械能的定義，這是對能量的初步定義。從另一個角度看，能量還可以理解為一種趨勢，一種可以使物質發生某種特定變化的趨勢，人們在希望這種特定變化發生時，就可以利用能量來達到目的。

關于對能量本質的認識，應該在學完所有初中物理知識后引導學生進行探討：（1）能量是表征物理系統做功本領的量度，但是有能量不一定在做功，能量大小與做功多少沒有必然的聯系，“本領”僅代表具有做功的能力，不代表正在或者必須要發生，做功是能量變化的量度，能量是狀態量，做功是過程量。物體的運動和變化伴隨著能量的變化，可以從能量的角度去研究物體運動和變化的問題。（2）能量通過機械能引入，但其內涵和范圍不僅僅限于做功，能量還與熱量和內能相聯系，而且熱量與內能的聯系如同做功與機械能之間的關系一樣。此外，能量還可以攜帶信息。（3）能量不可以被直接測量，是一個只能間接觀測的物理量，沒有方向，在初中階段，能量在數值上是大于零的。（4）初中物理中的勢能和內能等內容已經蘊涵了“系統”的思想，應引導學生思考哪些能量屬于系統，哪些能量既可以描述個體也可以描述系統，從而升華思維。

2.2能量來源觀

能量來源觀是關于能量的出處以及獲取的理解及看法，需要從兩個層面構建。一是懂得地球就是一個大的能量系統，理解地球上的能量絕大部分都直接或間接來自于太陽，認同太陽就是能量之源的理念，知道能量是維持生命的根本保證。二是知道可以通過物質能量和物質釋放能量來獲取能量，物質能量指物質的動能和勢能，物質釋放能量指物質通過化學或者物理反應時釋放的能量。

關于能量的來源，難點在于磁場的能量來源問題。雖然在初中階段不要求掌握，但初中物理中強調了磁場對電流及磁體會產生力的作用，并涉及到電磁感應現象以及電磁波的概念，抖音上還出現了利用磁場制作出類似于“永動機”的科學裝置，難免會讓學生在心里產生對磁場能量來源的思考。對于這個問題，教師可以結合磁鐵的形成過程，運用能量的轉化觀念來進行解釋。

2.3能量形式觀

能量形式觀是關于能量的形式種類以及內涵的理解及看法。要構建起能量形式觀，首先要理解“能量形式”這個術語的引入背景：關于能量的概念，至今都沒有一個非常清晰的定義，從物理學史上看，科學家們發現能量總是與物質和物體同時同地出現，并且可以用表示物質和物體狀態特征的物理量所構成的式子（如cmΔT、mgh等）來計算能量的大小與多少，這些物質和物體可以稱為能量的載體，因此，引入“能量形式”這個科學術語來描述能量有不同的載體，并啟用了諸如動能、彈性勢能、內能、電能、磁能、核能、風能等具體名稱來描述能量的形式[6]。

從另一個層面分析，能量之所以有多種形式，是因為能量是物質運動轉換的量度。運動的形式是多種多樣的，可以對應著不同的能量形式。在機械運動中，能量表現為機械能;在熱運動中，能量表現為內能。宏觀物體的機械運動對應著動能;分子運動對應著勢能;原子運動對應著化學能;帶電粒子的運動對應著電能。若運動形式相同，不同物體的運動特征可以用某些相同的物理量來描述;如果運動形式不同，不同物體之間的運動特性，能相互比較和描述的物理量就只有能量，能量是一切運動著的物體共同具有的屬性。

2.4能量傳遞及轉化觀

能量傳遞及轉化觀是對同類型能量在物質中的傳遞及不同形式能量之間相互轉化的總體認識。

對于同一類型的能量在物質中的傳遞問題，應該清楚能量既可以在同一種物質中也可以在不同形態的物質之間傳遞。聲音的傳播過程也是能量的傳遞過程，聲能的傳遞需要介質，真空中不能傳遞聲能，聲音可以被反射，意味著能量也可以被反射;光的傳播過程也是能量的傳遞過程，光能量的傳播可以沒有介質，光能量能被反射、折射和散射;熱量傳遞有方向性，熱量只能自發地從高溫物體向低溫物體傳遞，不能相反，“導熱性”和“比熱容”是用于描述熱量傳遞的物理量;電能、磁場中的能量也伴隨著電流和磁場的傳播同步進行著傳遞。需要注意的是，能量的傳遞過程，可能也是信息的傳遞過程，能量可以攜帶信息，比如光通信、無線電通信。

關于不同形式能量之間相互轉化的問題，需要從兩個方面進行理解。一是不同形式的能量之間為什么可以轉化？這個問題可以從能量的形式觀和本質中找到答案。能量轉化，其實是人類在定義了能量的各種形式之后伴隨產生的一個概念，雖然有多種形式的能量，但能量的本質是一致的，既然本質都是一樣的，能量轉化也就只是與人為定義的能量形式相對應罷了。在物理學中，有這樣的共識，即物理量的每一種或每一次變化，物體都將產生相應的后續反應或者變化的趨勢，這使得能量在促使一種變化發生時，必然會導致另一種可能的變化趨勢的產生。能量的轉化就是耗能過程引發了新的變化趨勢，從能量的本質觀來看，這種趨勢就是新的能量。二是不同形式的能量之間轉化時是否有方向或者條件？答案是肯定的，能量的轉化是有方向的，其他形式的能量可以自發地轉化為內能，而內能不可能無條件地轉化為其他形式的能量。

能量轉化問題的核心，是理解“功是能量轉化的量度”的內涵：力做了多少功，就有相應的某種形式的能量轉化為等量的其他形式的能量;不同的力所做的功，量度的是不同形式的能量變化。

2.5 能量守恒觀

能量守恒觀是對能量在傳遞和轉化過程中所遵行規律的理解與認識。能量守恒觀的構建，需要從六個方面進行提升：一是要清楚“從一種形式轉化為其他形式”是指所有形式的能量，是泛指;二是“在轉化和轉移的過程中，能量的總量保持不變”并不限制是哪幾種形式的能量;三是能量守恒是有條件的，即所有形式能量之間是可以相互轉換的，且轉換量一定相等，此外，各種不同形式的能可以通過做功來轉化，能轉化的多少通過功來量度;四是要理解“總能量守恒”與“能量守恒定律”是兩個不同的概念，由“能量守恒定律”可以推出“總能量守恒”的結論，但從“總能量守恒”是不能推出“能量守恒定律”這一結論的;五是要理解初中物理中“能量守恒”、“質量守恒”和“電荷守恒”三個概念的思想是相似的，但本質卻有不同;六是能量守恒定律不是數學推導出的結果，而是實驗結果。

2.6能量耗散觀

能量耗散觀是關于能量的消耗及損失的理解與看法。初中階段的能量耗散觀比較淺顯，可以表述為：人類時刻都在利用和消耗著地球上各種形式的能量，在能量的轉化和傳遞過程中，有部分能量不能被有效地利用而損失掉（耗散），由于宇宙中總能量不變，可供人類利用的能量資源越來越少。耗散的原因主要是摩擦力做功，將機械能或其他形式的能轉化成了內能，或者是通過向周圍低溫物體自發散熱。需要強調的是，現實環境中，能量耗散，只能降低，但絕對不可能避免，因為任何系統都不可能完全不受到摩擦力的作用，也不可能絕對絕熱。

2.7能量利用觀

能量利用觀是關于能量使用以及能源開發的總體認識。初中物理的能量利用觀是基于上述六種能量子觀念而形成的，可以從以下幾個方面構建：一是樹立起節約能源的意識，在能源的利用過程中，要盡量選擇能量轉化效率高的能源或者方式，采取手段降低能量的損耗也是節約能源的途徑;二是知道目前的能源使用仍然以不可再生資源為主，但對于可再生資源的開發和利用技術正在快速發展，在生活中已經占據了一定比例;三是知道在能源利用的過程中，會對環境產生污染，清潔能源的開發和利用是今后的重點;四是知道人類未來的能源儲備并不悲觀，隨著技術的進步，能源危機不一定會出現，海洋是人類能源資源最大的寶庫，將海水直接轉化為能量的研究已取得重大進展。

3.結語

能量觀念是初中物理觀念構建的重點與難點，教師必須超越對具體知識的教學，首先從本文分析的七個層面構建起基于教師主體的能量觀念，打通物理知識與能量核心素養之間的關系，才能在教學中以知識為載體，引導學生通過高水平的思維和學習活動，學會從能量的視角來分析相關的物理現象與問題，構建起以學生為主體的能量觀念。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]梁佳欣， 張靜.物理學科核心素養的研究現狀及發展趨勢[J].物理教師，2019，40（8）：71-75.

[3]伍苗苗，張軍朋.高中物理能量觀念的內涵、構成與認知層次[J].中學物理教學參考，2017，46（5）：1-4.

[4]李春密.核心素養導向的高中物理教學設計[M].北京：北京師范大學出版社，2019.

[5]周后升.高中學生物理學科核心素養發展研究及教學實踐[M].廣州：廣東高等教育出版社，2018.

[6]張三慧.“能量形式”概念是錯誤的嗎？[J].物理與工程，2011，21（2）：7-9.

作者簡介：

胡家光（1980年-），男，副教授，主要從事物理師范生的培養策略研究。