“機械能守恒定律”教學探討

尹永忠

(貴州省遵義市第五十四中學,貴州 遵義 563000)

機械能守恒定律是物理學中的重要規律,也是高考考查的重點,對學生學習物理所需的關鍵能力的培養具有重要價值。然而,經過長期的教學觀察與反思,筆者認為該定律在教學實踐上依舊存在一些較為突出的問題,對相關問題探討如下。

1 機械能對機械能守恒定律的意義

《機械能守恒定律》一章的教材編排順序是:功和功率—重力勢能—動能定理—機械能守恒定律—驗證機械能守恒定律,這樣的編排邏輯清晰,重點突出,有利于教師的教和學生的學。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械運動中的能量形式,統稱為機械能。”[1]在機械能守恒定律的新課教學中,筆者發現很多教師繞開“追尋守恒量”的鋪墊,直接通過生活實例、實驗演示,得出結論:動能和勢能可以相互轉化,接著說明機械能包括重力勢能、彈性勢能和動能。機械能概念對機械能守恒定律到底意味著什么?既然已經有了動能、重力勢能和彈性勢能的概念,為什么還要定義機械能呢?是否可以越過機械能概念建立機械能守恒定律?

通過查閱文獻發現,有研究者對此表達了類似的疑問:既然我們已經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稱為機械能?[2]有的作者運用科學概念轉變理論,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,要通過教學引起學生對舊概念的不滿,最后從物理學史的角度厘清從守恒角度分析能量變化是有歷史依據的,研究機械能守恒定律應該以動能和勢能的轉化為重點,從這一點可以看出建構機械能概念是為了突出教學重點。

其實,對于為什么要引入機械能概念,教科版高中物理教材在本章的首頁利用一段話來說明:“在長期的科學實踐中,人們發現了不同形式的能量可以相互轉化,并且能量的轉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象,就必然存在能量變化的現象,功的計算能夠為能量的定量表達及能量的變化提供分析的基礎。”[1]這也就是說,研究機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化,而不僅僅局限于在勢能和動能之間轉化,從單純的動能變化無法追尋守恒量。同樣,也無法單純根據勢能的變化追尋守恒量。當進入還沒有涉足的領域時,之前發展的應對其他問題的概念常常是不適用的,甚至可能造成妨礙,此時需要創造新的概念來合理地表述新的現象。[3]動能和勢能的此消彼長在只有重力或系統內部彈力做功時是客觀事實,因此有必要建構新的概念——機械能來描述這種現象,并尋找其中的變化規律,它也將成為研究守恒規律的基礎和前提。

2 機械能守恒定律的建立邏輯

物理規律反映物理概念之間內在的必然聯系。機械能守恒定律是高中物理教學中的重要規律,對學生能力的培養意義重大。那么,教學中機械能守恒定律到底應該以怎樣的方式呈現?其建立邏輯是什么?

通常的教學方式有兩種:概念—規律式和情境—規律式。前一種方式體現的是“借理入理”的教學思路,學生需要從動能和勢能可以相互轉化的事實中找到此消彼長中的守恒量,對學生思維能力的要求較高,教師經常會提問:動能是什么?勢能是什么?它們之間的關系如何?學生也會回答動能和勢能的概念,得出結論:動能和勢能可以相互轉化,緊接著教師舉一兩個例子加以說明,隨后進入規律應用環節。這樣的教學方式往往導致學生的物理成績出現兩極分化。后一種教學方式突出情境在規律建立中的作用,但問題也同樣明顯。從情境出發學生一定能順利地得到規律嗎?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。恰當的情境有利于促進學習,但是概念也同樣重要。筆者認為,圖1所示的教學邏輯更有利于規律的建立。

圖1

首先,動能和重力勢能可以相互轉化,動能和彈性勢能也可相互轉化,這是基本事實。教師要想方設法使學生理解機械能概念建構的必要性,基于事實完成機械能概念的教學。其次,創設實驗情境,在實驗情境中尋找動能和勢能在變化中的特點。比如,教師給學生呈現物體自由下落的情景,給出具體運動數據,讓學生準確辨別動能、重力勢能,根據重力做功分析動能、重力勢能在運動過程中的變化情況,尋找其中的規律。在實驗情境中學生進一步深化對概念的認識,積極尋找變化中的守恒量。最后,根據情境分析,得出機械能守恒的條件和定律內容,通過例題培養學生的思維能力。

3 是探究還是驗證?

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

機械能守恒定律是能量守恒定律的特殊表現形式,是能量觀念培養的絕佳素材,因此教材對機械能守恒定律分別安排了理論和實驗教學,這樣的編排方式在教材編寫邏輯上并無問題。在高中物理教學中,應注重科學探究,尤其應注重實驗探究,這對培養學生的探究能力和科學態度具有重要作用。在物理實驗教學中,應發掘實驗在培養學生發現和提出問題能力方面的教育價值,要避免讓學生按教師或教材預設的步驟進行“假探究”。依據課標與教材,機械能守恒定律的教學應如何設計?通常物理規律的教學會按照科學探究的方式展開,但課標卻在必修2安排了“驗證機械能守恒定律”這個學生必做實驗,究竟是探究還是驗證?有教師存在以上困惑。課標之所以安排驗證性實驗,其目的是在規律教學中突出理論探究的價值,先升華學生的守恒觀、能量觀,促進學生科學思維的提升,再讓認識落腳于實驗驗證。筆者認為,在機械能守恒定律的教學中,可在理論探究之后借助數字化信息系統(DIS)進行實驗驗證。

3.1 理論探究

如圖2所示,根據動能定理,對小球從A運動到C過程,有:WG-W阻=EkC-EkA,重力勢能的變化與重力做功的關系為:WG=EpA-EpC。整理兩式可得:-W阻=(EkC+EpC)-(EkA+EpA),當阻力為0時,有:EkC+EpC=EkA+EpA。據此可得出結論:當只有重力做功時,動能和勢能在相互轉化時總的機械能保持不變。

圖2

3.2 實驗驗證

如圖3所示,利用DIS和機械能守恒實驗儀收集數據,驗證理論探究結果。選擇E點為零勢能點,重錘質量為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節,在實驗儀器上選定A、B、C、D、E點,讓重錘從O點靜止釋放,沿著圓周依次通過上述幾點,對應點的高度數據已經提前輸入電腦,運用信息技術為物理教學賦能,大大提升了教學效率。

圖3

每次讓擺錘從O點靜止釋放,依次調節光電門到A、B、C、D、E點,點擊“記錄數據”測定各點速度,點擊“數據計算”,生成的實驗數據如見表1。從中可得出結論:在實驗誤差允許的范圍內,如果只有重力做功,則機械能守恒,驗證了理論探究結果。

表1

經歷了這樣的知識建構過程,學生的認知能力得到提高,可謂在探究中建構,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械能是否守恒?

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

當物體只受重力時,若說做功的話當然只有重力做功,要么做正功,要么做負功,此時能量只會在動能和重力勢能之間相互轉化。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,不再強調是物體與地球所共有的,此時可以認為物體的機械能是守恒的。

當物體只受彈力時,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,要么做負功,此時能量只會在動能和彈性勢能之間相互轉化,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。研究機械能守恒一定要明確“物體系統”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:水平方向運動的彈簧振子(圖4)。

圖4

關聯:動能和彈性勢能相互轉化。

結論:小球和彈簧構成的物體系統機械能守恒。

依據:對于小球和彈簧構成的物體系統,只有系統內部的彈力做功。

例2:豎直上拋的小球。

關聯:動能和重力勢能相互轉化。

結論:小球的機械能守恒。

依據:小球只受重力,只有重力做功。