淺談能量守恒在物理核心素養中的意義

周萬里

【摘 要】在能量守恒定律的發現過程中，許多科學家為之付出了巨大的努力，也留下了寶貴的經驗，為物理教學提過了豐富的材料，通過對能量守恒的認真學習，必將對同學們的價值觀念思維能力產生深遠的影響。

【關鍵詞】能量守恒 轉移轉化 核心素養

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2018.03.053

新修訂的2017年版普通高中物理課程標準，以學科本質為中心，充分體現物理學科的核心素養，為終生發展、應對社會挑戰打基礎，新課標具體要求以包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面，下面我以能量的轉化與守恒為例詳細分析其在物理核心素養中的意義。

一、認識能量的轉化與守恒

1.自然界中的能量的形式不盡相同，如：內能、勢能、動能等。

2.各種能量之間可以相互轉化，例如箭從弓上射出的過程就是把彈性勢能轉化為動能的過程。

3.一種形式能量的改變對應一種形式的力做功，例如由動能定理可知動能的改變等于合力所做的功，重力勢能的改變只能通過重力做功來實現。

4.功是能量轉化的量度，不同形式的能量在轉化過程中必須通過做功來實現，而且力做多少功對應的能量就轉化多少。

5.能量守恒定律：能量既不能被創造也不能被消滅，只能從一種形式轉化為另外一種形式，從一個物體轉移到另外一個物體或從物體的一部分轉移到另一部分，在轉移和轉化的過程中其總量保持不變。

二、在物理觀念的意義

物理觀念是基于物理學概念規律等的學習，以物理學視角分析自然現象和實際問題。通過對能量守恒的學習，我們來看一個摩擦生熱的現象，摩擦生熱是一種常見的物理現象，但很少有人知道摩擦為什么會生熱？

在這里“熱”指溫度，而溫度是物體內能的體現，通過能量守恒可知，在摩擦的過程中，物體克服摩擦力做功，把其他形式的能量轉化為內能，使物體的內能增大從而導致溫度升高，摩擦過程能量并沒有消失，只是通過做功從一種形式轉化為另外一種形式而已，這就是能量守恒的規律。“摩擦焊接”技術有著精度高、范圍廣、成本低等優點而被廣泛的應用于各種工業生產中，它就是將兩個焊件的焊接端面上加一定的軸向壓力，使接觸面間劇烈的摩擦運動，使接觸面溫度不斷升高，達到一定的焊接溫度時停止運動，再施加一定的壓力，使兩個焊件牢固地焊接在一起，通過對能量的轉化利用就能很好的服務于我們的工業生產和日常生活。

三、在科學思維的意義

學生通過對實際問題的質疑批判、假設猜想、分析綜合、邏輯推理等科學方法對實際問題進行抽象概括和物理建模而具備的能力就是科學思維。能量的轉化與守恒的思想對我們合理的解決各類問題提供了依據，電力的有效利用是第二次工業革命的基礎，而我們現在的生活更是離不開電，正所謂一日無電，度日如年，所以人們通過各種方式來獲得電能，如風力發電是將空氣的動能轉化為電能的過程水力發電，它是將水的重力勢能轉化為電能的過程，這些過程都是對能量的轉化與守恒的思想有效利用。能量守恒對解決新問題，預言新事物提供了強有力的理論依據。在物理學史上有不少杰出的人才為了發明永動機付出巨大的精力和時間，他們設想不用消耗任何燃料而不停地運轉，源源不斷地提供能量，但結果確是徒勞無獲，直到19世紀關于能量守恒定律的確立，人們才認識到永動機是不可能制造出來的。

四、在科學探究的意義

科學探究是針對物理問題，通過觀察和實驗的手段對獲得的現象結果進行分析論證的過程，也是對探究過程中對交流、評估、反思等能力的考驗和鍛煉。愛因斯坦說過：“純粹邏輯思維不能給我們任何經驗世界的知識，所有真實的知識都是從經驗出發并在經驗中完成。”英國科學家焦耳，從最初的磁電機做功發熱現象開始，對電流的熱效應進行了大量的實驗研究，最終發現了焦耳定律，得出消耗的電能等于電阻增加的內能，為能量守恒定律的通過了有力證據。在高中物理教學中通過安排驗證動能定理和機械能守恒定律的實驗等科學探究的內容來鍛煉同學們的動手操作、交流分析、思考判斷等相關的科學素養，使同學們具備適應新環境迎接新挑戰的能力。

五、科學態度與責任

科學態度與責任感是在科學知識的學習中，逐漸形成的探索自然的內在動力，包括嚴謹求實的科學態度，對社會可持續發展的責任感。能量的轉移和轉化是有條件的，動物吃草人吃飯，都是為了獲得能量，但是人很難通過吃草來獲得能量，這就要求我們養成節約的習慣，珍惜資源，用能量守恒的觀點看問題，強烈的責任感對待我們的生活。能量守恒定律的發現過程是漫長而又艱辛的，期間充滿著各種挑戰，德國科學家邁爾年輕的時候是一位醫生，他在一次隨船從荷蘭到印度的過程中發現病人的靜脈血比在歐洲時更加鮮紅，他經過認真思考發現，紅色素是血液中氧化反應的產物，赤道附近天氣炎熱，人的體溫不需消耗太多的能量，從而不需要消耗太多的氧，導致血液更加鮮紅，邁爾并沒有止步于此，回去后他繼續探究，發現通過攪拌紙漿，可以使紙漿溫度升高，通過大量的實驗逐漸認識到了能量之間相互轉化的規律，在他發表的數篇論文中，明確提出能量是不滅的，可以相互轉化的，物質的量是守恒不變的，它既適用于物質也適用于能量。這些理論為能量守恒定律的最終提出奠定了堅實的基礎，盡管如此，他的觀點在當時沒有得到廣泛認可，他在演說自己的觀點時卻被認為是瘋子，甚至遭到了很多詆毀和攻擊，最終被關進了精神病院遭遇了數年的非人待遇，這是物理學的不幸，但隨著科學的發展人們最終認識到了能量守恒定律的正確性和普遍性，邁爾的晚年苦盡甘來，得到了應有的榮譽和待遇，邁爾本著求真務實的態度，堅持不懈的努力，為物理學的發展做出了很大的貢獻，他的科學精神值得學生認真學習。

能量守恒的規律不只是物理課本的一個知識點，作為物理學中三大守恒定律之一，更是一種分析處理問題的思維，也是為人處世的一種觀念，它的理論對整個科學技術發展的影響是巨大的，它的思想對整個社會的可持續發展具有指導意義。能量守恒必將發揮其在物理學科核心素養教育中的意義。