對《機械能守恒定律》編排的思考

摘要：《機械能守恒定律》的設(shè)置是追求守恒量的研究源泉，體現(xiàn)了教材編寫的一般思路，也是物理體系承上啟下的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：機械能；定恒定律；編排

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2013）2（S）-0067-2

筆者開設(shè)校內(nèi)公開課，課題為高一物理《機械能守恒定律》一節(jié)內(nèi)容。在課后的教研組討論時，一位第一年在高三任教的年輕教師提出的一個問題，引發(fā)了筆者的思考。

他說：“學(xué)生高三物理復(fù)習(xí)時，發(fā)現(xiàn)很少用到機械能守恒定律解題。甚至有些參考書上也給學(xué)生直接提醒：為了防止重力勢能與重力做功相互混淆而出錯，對力學(xué)問題盡量用動能定理來處理，除非特別強調(diào)，不要用機械能守恒定律來解。在高一學(xué)生用了接近半個學(xué)期所學(xué)的、而且在初中物理就開始定性分析的機械能守恒，到底有什么用呢？”

實情似乎確實如此！就筆者自身而言，多年任教高三，除非是高三總復(fù)習(xí)到《機械能》這部分內(nèi)容時，才會用機械能守恒定律來處理問題，平時帶領(lǐng)學(xué)生研究或分析力學(xué)問題時，一般都是從動能定理的角度就能將問題解決掉。這樣看來。好像機械能守恒定律在高中物理體系中確實沒有太大的作用，為什么書本上還要用這樣大的篇幅來討論這個問題呢？

筆者就這個問題進行了較長時間的思考，并請教了一些專家，得到了一些不太成熟的觀點，與大家一起商榷。

1 追求守恒量，是物理學(xué)家研究的動力源泉

“人教版”高中物理必修二第七章《機械能守恒定律》開篇語，引用了德國著名物理學(xué)家勞厄的一段話：“物理學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律。該規(guī)律最簡單的形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性，所以對于守恒量的尋求不僅是合理的，而且也是極為重要的研究方向?！?/p>

物理學(xué)家在研究問題的過程中，一直試圖在變化之中找到一些不變量，也就是變化中的守恒問題。例如：我們中學(xué)階段就先后研究到質(zhì)量守恒、電荷守恒、機械能守恒、動量守恒等等。

機械能守恒是高中物理中所遇到的第一個守恒量，它是在前面學(xué)習(xí)過力、運動和功的基礎(chǔ)上的一次大提升，對后面再開展其他守恒量的研究有示范作用。所以書本上用了很多篇幅，先介紹與功有關(guān)的問題，再研究動能、彈性勢能、重力勢能，最后再在動能定理的基礎(chǔ)上得出機械能守恒定律。

2 教材的安排顯示出物理學(xué)研究問題的一般思路

物理學(xué)中研究問題的一般思路是從簡單到復(fù)雜，從特殊到一般。例如：對運動學(xué)的研究就是先從最簡單但也是最特殊的勻速直線運動開始，然后再逐漸擴展到其他運動形式：對曲線運動的研究也是從最簡單同時也是最特殊的平拋運動和勻速圓周運動開始研究，再逐漸擴展到一般性的曲線運動。

對能量的認識，雖然學(xué)生們聽到過化學(xué)能、電能、太陽能、水能等。但由于能量這個概念非常抽象，所以學(xué)生很難利用身邊的器材或者知識對能量開展研究。

高中物理教材對學(xué)生身邊最容易理解的機械能的講解也不是一步就到位的，而是通過先講解運動的物體具有動能，被舉高的物體具有重力勢能，彈簧類的物體具有彈性勢能。當(dāng)有了這些能量做鋪墊，再開始機械能的研究就變得比較容易了。

由以上分析可以看出，教材這樣安排。符合學(xué)生認識物質(zhì)世界的一般思路。

3 動能定理與機械能守恒定律公式的區(qū)別

雖然書本上是從動能定理的角度出發(fā)來推導(dǎo)出的機械能守恒定律，但是二者還是有比較大的區(qū)別。

首先，動能定理的使用是沒有條件的，只要是物體受力，并且有了一定的位移，肯定能用動能定理對物體的運動過程列式。機械能守恒定律的使用是有條件的，一定要在只有重力和彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)。才存在機械能守恒，才能用這個規(guī)律解題。從這個角度來看，動能定理的使用范圍要比機械能守恒定律寬泛得多。

再者，動能定理使用時要考慮中間過程，它是一個過程性方程。而機械能守恒定律只要是滿足了守恒的條件，就可以對要研究的任意兩個點進行列式，它關(guān)注的是兩個點的狀態(tài)。從這一點上來說，動能定理是一個過程方程，而機械能守恒定律是一個狀態(tài)方程。使用時各有各關(guān)注的落點。

4 《機械能守恒定律》的學(xué)習(xí)在整個知識體系中起到承上啟下的作用

如果單從解決物理問題的角度看，動能定理確實比機械能守恒定律具有更大的作用，特別是后續(xù)電學(xué)學(xué)習(xí)中加入電場力、安培力。熱學(xué)中加入分子力之后，動能定理的作用表現(xiàn)得更加突出，但是機械能守恒定律的作用仍然不可替代。

有了機械能守恒定律的知識鋪墊，學(xué)生就非常容易理解自然界更加普遍的法則：能的轉(zhuǎn)化和守恒定律。所以，在“人教版”教材本章的最后一節(jié)就安排了《能量守恒定律與能源》，顯得水到渠成。有了機械能守恒定律做鋪墊，到了電學(xué)中，學(xué)生才容易理解——如果帶電粒子只在電場力作用下，其動能與電勢能之和將守恒。帶電粒子如果同時受重力和電場力作用，則動能、電勢能與重力勢能之和將為定值。這些與能量有關(guān)的規(guī)律都能夠很自然的得出。所以，本章內(nèi)容的安排在整個高中物理能量體系中起著非常關(guān)鍵的作用。

筆者想，當(dāng)我們思考過以上這些問題之后，就不會因為到高三總復(fù)習(xí)時很少用到機械能守恒定律來直接解題，而弱化對這部分知識的教學(xué)。相反，如果我們從物理學(xué)史的角度、從教材編撰者的角度、從整個物理學(xué)能量體系完整的角度來思考這些問題，就會更加重視這部分知識的教學(xué)與研究。

參考文獻：

[1]孟小兵.機械能定恒定律的實驗教學(xué)[J].物理教學(xué)探討，2011，（9）：53.

[2]樊杰.“機械能守恒定律”教學(xué)設(shè)計[J].物理教學(xué)探討，2011，（8）：77.

（欄目編輯 鄧?yán)冢?/p>