“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)探討

尹永忠

(貴州省遵義市第五十四中學(xué),貴州 遵義 563000)

機(jī)械能守恒定律是物理學(xué)中的重要規(guī)律,也是高考考查的重點(diǎn),對學(xué)生學(xué)習(xí)物理所需的關(guān)鍵能力的培養(yǎng)具有重要價值。然而,經(jīng)過長期的教學(xué)觀察與反思,筆者認(rèn)為該定律在教學(xué)實踐上依舊存在一些較為突出的問題,對相關(guān)問題探討如下。

1 機(jī)械能對機(jī)械能守恒定律的意義

《機(jī)械能守恒定律》一章的教材編排順序是:功和功率—重力勢能—動能定理—機(jī)械能守恒定律—驗證機(jī)械能守恒定律,這樣的編排邏輯清晰,重點(diǎn)突出,有利于教師的教和學(xué)生的學(xué)。教科版高中物理教材明確指出:“重力勢能、彈性勢能與動能都是機(jī)械運(yùn)動中的能量形式,統(tǒng)稱為機(jī)械能。”[1]在機(jī)械能守恒定律的新課教學(xué)中,筆者發(fā)現(xiàn)很多教師繞開“追尋守恒量”的鋪墊,直接通過生活實例、實驗演示,得出結(jié)論:動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化,接著說明機(jī)械能包括重力勢能、彈性勢能和動能。機(jī)械能概念對機(jī)械能守恒定律到底意味著什么?既然已經(jīng)有了動能、重力勢能和彈性勢能的概念,為什么還要定義機(jī)械能呢?是否可以越過機(jī)械能概念建立機(jī)械能守恒定律?

通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),有研究者對此表達(dá)了類似的疑問:既然我們已經(jīng)定義了三種不同形式的能量:動能、重力勢能和彈性勢能,為什么還要把它們統(tǒng)稱為機(jī)械能?[2]有的作者運(yùn)用科學(xué)概念轉(zhuǎn)變理論,說明建立新概念是基于原有概念不能解決新問題的不得已行為,要通過教學(xué)引起學(xué)生對舊概念的不滿,最后從物理學(xué)史的角度厘清從守恒角度分析能量變化是有歷史依據(jù)的,研究機(jī)械能守恒定律應(yīng)該以動能和勢能的轉(zhuǎn)化為重點(diǎn),從這一點(diǎn)可以看出建構(gòu)機(jī)械能概念是為了突出教學(xué)重點(diǎn)。

其實,對于為什么要引入機(jī)械能概念,教科版高中物理教材在本章的首頁利用一段話來說明:“在長期的科學(xué)實踐中,人們發(fā)現(xiàn)了不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化,并且能量的轉(zhuǎn)化與功的概念緊密相連。這是因為,如果一個過程中存在做功的現(xiàn)象,就必然存在能量變化的現(xiàn)象,功的計算能夠為能量的定量表達(dá)及能量的變化提供分析的基礎(chǔ)。”[1]這也就是說,研究機(jī)械能的守恒要從做功入手,因為做功可以引起能量的變化,至于在何種能量形式間轉(zhuǎn)化,還要具體分析是何種力做什么樣的功。如果單純分析動能變化只會涉及合外力做功,這個合外力可能是保守力,也可能是非保守力,那么能量就可能在其他形式的能和動能之間相互轉(zhuǎn)化,而不僅僅局限于在勢能和動能之間轉(zhuǎn)化,從單純的動能變化無法追尋守恒量。同樣,也無法單純根據(jù)勢能的變化追尋守恒量。當(dāng)進(jìn)入還沒有涉足的領(lǐng)域時,之前發(fā)展的應(yīng)對其他問題的概念常常是不適用的,甚至可能造成妨礙,此時需要創(chuàng)造新的概念來合理地表述新的現(xiàn)象。[3]動能和勢能的此消彼長在只有重力或系統(tǒng)內(nèi)部彈力做功時是客觀事實,因此有必要建構(gòu)新的概念——機(jī)械能來描述這種現(xiàn)象,并尋找其中的變化規(guī)律,它也將成為研究守恒規(guī)律的基礎(chǔ)和前提。

2 機(jī)械能守恒定律的建立邏輯

物理規(guī)律反映物理概念之間內(nèi)在的必然聯(lián)系。機(jī)械能守恒定律是高中物理教學(xué)中的重要規(guī)律,對學(xué)生能力的培養(yǎng)意義重大。那么,教學(xué)中機(jī)械能守恒定律到底應(yīng)該以怎樣的方式呈現(xiàn)?其建立邏輯是什么?

通常的教學(xué)方式有兩種:概念—規(guī)律式和情境—規(guī)律式。前一種方式體現(xiàn)的是“借理入理”的教學(xué)思路,學(xué)生需要從動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化的事實中找到此消彼長中的守恒量,對學(xué)生思維能力的要求較高,教師經(jīng)常會提問:動能是什么?勢能是什么?它們之間的關(guān)系如何?學(xué)生也會回答動能和勢能的概念,得出結(jié)論:動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化,緊接著教師舉一兩個例子加以說明,隨后進(jìn)入規(guī)律應(yīng)用環(huán)節(jié)。這樣的教學(xué)方式往往導(dǎo)致學(xué)生的物理成績出現(xiàn)兩極分化。后一種教學(xué)方式突出情境在規(guī)律建立中的作用,但問題也同樣明顯。從情境出發(fā)學(xué)生一定能順利地得到規(guī)律嗎?概念是思維的材料,脫離概念去分析情境,思維活動便失去了支撐點(diǎn)。恰當(dāng)?shù)那榫秤欣诖龠M(jìn)學(xué)習(xí),但是概念也同樣重要。筆者認(rèn)為,圖1所示的教學(xué)邏輯更有利于規(guī)律的建立。

圖1

首先,動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化,動能和彈性勢能也可相互轉(zhuǎn)化,這是基本事實。教師要想方設(shè)法使學(xué)生理解機(jī)械能概念建構(gòu)的必要性,基于事實完成機(jī)械能概念的教學(xué)。其次,創(chuàng)設(shè)實驗情境,在實驗情境中尋找動能和勢能在變化中的特點(diǎn)。比如,教師給學(xué)生呈現(xiàn)物體自由下落的情景,給出具體運(yùn)動數(shù)據(jù),讓學(xué)生準(zhǔn)確辨別動能、重力勢能,根據(jù)重力做功分析動能、重力勢能在運(yùn)動過程中的變化情況,尋找其中的規(guī)律。在實驗情境中學(xué)生進(jìn)一步深化對概念的認(rèn)識,積極尋找變化中的守恒量。最后,根據(jù)情境分析,得出機(jī)械能守恒的條件和定律內(nèi)容,通過例題培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

3 是探究還是驗證?

物理教學(xué)中的科學(xué)探究可分為理論探究和實驗探究,理論探究是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下從已知的物理概念、規(guī)律出發(fā)探索未知物理規(guī)律或事實的過程;實驗探究是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下有根據(jù)地提出問題和猜想,設(shè)計實驗方案驗證猜想或證明所提出的問題,最后進(jìn)行檢驗、評估與交流的過程。驗證則是在已知研究結(jié)論的前提下對其進(jìn)行再確證的過程。

機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律的特殊表現(xiàn)形式,是能量觀念培養(yǎng)的絕佳素材,因此教材對機(jī)械能守恒定律分別安排了理論和實驗教學(xué),這樣的編排方式在教材編寫邏輯上并無問題。在高中物理教學(xué)中,應(yīng)注重科學(xué)探究,尤其應(yīng)注重實驗探究,這對培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度具有重要作用。在物理實驗教學(xué)中,應(yīng)發(fā)掘?qū)嶒炘谂囵B(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題能力方面的教育價值,要避免讓學(xué)生按教師或教材預(yù)設(shè)的步驟進(jìn)行“假探究”。依據(jù)課標(biāo)與教材,機(jī)械能守恒定律的教學(xué)應(yīng)如何設(shè)計?通常物理規(guī)律的教學(xué)會按照科學(xué)探究的方式展開,但課標(biāo)卻在必修2安排了“驗證機(jī)械能守恒定律”這個學(xué)生必做實驗,究竟是探究還是驗證?有教師存在以上困惑。課標(biāo)之所以安排驗證性實驗,其目的是在規(guī)律教學(xué)中突出理論探究的價值,先升華學(xué)生的守恒觀、能量觀,促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的提升,再讓認(rèn)識落腳于實驗驗證。筆者認(rèn)為,在機(jī)械能守恒定律的教學(xué)中,可在理論探究之后借助數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS)進(jìn)行實驗驗證。

3.1 理論探究

如圖2所示,根據(jù)動能定理,對小球從A運(yùn)動到C過程,有:WG-W阻=EkC-EkA,重力勢能的變化與重力做功的關(guān)系為:WG=EpA-EpC。整理兩式可得:-W阻=(EkC+EpC)-(EkA+EpA),當(dāng)阻力為0時,有:EkC+EpC=EkA+EpA。據(jù)此可得出結(jié)論:當(dāng)只有重力做功時,動能和勢能在相互轉(zhuǎn)化時總的機(jī)械能保持不變。

圖2

3.2 實驗驗證

如圖3所示,利用DIS和機(jī)械能守恒實驗儀收集數(shù)據(jù),驗證理論探究結(jié)果。選擇E點(diǎn)為零勢能點(diǎn),重錘質(zhì)量為m,與重錘相連接的擋光片的寬度為d,光電門的位置可以調(diào)節(jié),在實驗儀器上選定A、B、C、D、E點(diǎn),讓重錘從O點(diǎn)靜止釋放,沿著圓周依次通過上述幾點(diǎn),對應(yīng)點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)已經(jīng)提前輸入電腦,運(yùn)用信息技術(shù)為物理教學(xué)賦能,大大提升了教學(xué)效率。

圖3

每次讓擺錘從O點(diǎn)靜止釋放,依次調(diào)節(jié)光電門到A、B、C、D、E點(diǎn),點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”測定各點(diǎn)速度,點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)計算”,生成的實驗數(shù)據(jù)如見表1。從中可得出結(jié)論:在實驗誤差允許的范圍內(nèi),如果只有重力做功,則機(jī)械能守恒,驗證了理論探究結(jié)果。

表1

經(jīng)歷了這樣的知識建構(gòu)過程,學(xué)生的認(rèn)知能力得到提高,可謂在探究中建構(gòu),在驗證中提升,兩者自然銜接,一氣呵成。

4 只受重力或只受彈力時機(jī)械能是否守恒?

機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容是:在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi),動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化,而總的機(jī)械能保持不變。通過分析可發(fā)現(xiàn),上述表述中有幾個關(guān)鍵點(diǎn),分別是“做功”“物體系統(tǒng)”。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn),有的學(xué)生會將機(jī)械能守恒的條件理解為只受重力或彈力,丟掉了“做功”二字;在處理與機(jī)械能守恒相關(guān)的問題時,往往把研究對象默認(rèn)為單個物體,而不是“物體系統(tǒng)”。出現(xiàn)這樣的問題除了學(xué)生本身的原因之外,更多的是教師對規(guī)律的解讀不到位,導(dǎo)致學(xué)生理解不透徹。

當(dāng)物體只受重力時,若說做功的話當(dāng)然只有重力做功,要么做正功,要么做負(fù)功,此時能量只會在動能和重力勢能之間相互轉(zhuǎn)化。這里有一個問題需要澄清,即重力勢能是作為研究對象的物體和地球組成的系統(tǒng)共有的,只不過是為了敘述方便,一般說成是物體的重力勢能,不再強(qiáng)調(diào)是物體與地球所共有的,此時可以認(rèn)為物體的機(jī)械能是守恒的。

當(dāng)物體只受彈力時,或者除彈力外其他力的合力為零,此時物體的機(jī)械能將不會守恒。若說彈力做功,即彈力要么做正功,要么做負(fù)功,此時能量只會在動能和彈性勢能之間相互轉(zhuǎn)化,可是此時彈性勢能是物體和彈簧所共有的,而彈簧所存儲的彈性勢能是不可以忽略的,對物體而言只能討論它的動能,從來不會說某物體具有多少彈性勢能。研究機(jī)械能守恒一定要明確“物體系統(tǒng)”的概念,而不能單純從受力或做功的角度去分析,以下再用兩個例子予以說明。

例1:水平方向運(yùn)動的彈簧振子(圖4)。

圖4

關(guān)聯(lián):動能和彈性勢能相互轉(zhuǎn)化。

結(jié)論:小球和彈簧構(gòu)成的物體系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

依據(jù):對于小球和彈簧構(gòu)成的物體系統(tǒng),只有系統(tǒng)內(nèi)部的彈力做功。

例2:豎直上拋的小球。

關(guān)聯(lián):動能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化。

結(jié)論:小球的機(jī)械能守恒。

依據(jù):小球只受重力,只有重力做功。