高中物理功和勢(shì)能的認(rèn)識(shí)誤區(qū)與教學(xué)分析

崔清華 魏明

摘要：功和能是解決物理動(dòng)力學(xué)問題的重要工具，既是高考的高頻考點(diǎn)，又是高中物理教學(xué)的重難點(diǎn)。該部分知識(shí)深?yuàn)W難懂、較為抽象，如果只是通過機(jī)械的記憶和訓(xùn)練，極容易造成一些錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。分析功和勢(shì)能的認(rèn)識(shí)誤區(qū)和教學(xué)分析，可以讓學(xué)生對(duì)功與能的概念以及功和勢(shì)能變化的關(guān)系有全面、深刻、正確的認(rèn)識(shí)和理解，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)形成與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高中物理；功和勢(shì)能；教學(xué)誤區(qū)；教學(xué)分析

功和能在高中物理中的重要性決定了高中物理教師對(duì)功、各種形式的能、力做功與能量變化的關(guān)系這幾個(gè)概念和規(guī)律的教學(xué)尤為關(guān)鍵。教材受篇幅的限制，不能深入、系統(tǒng)地對(duì)以上概念和規(guī)律進(jìn)行分析，使得學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)的認(rèn)識(shí)存在誤區(qū)，從而影響學(xué)生對(duì)這部分核心知識(shí)的構(gòu)建。文章就功和能板塊中的幾個(gè)經(jīng)常容易產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的問題進(jìn)行探討，以期促進(jìn)功與能等知識(shí)的教學(xué)效果的提升。

一、功的認(rèn)識(shí)誤區(qū)與教學(xué)分析

（一）功的認(rèn)識(shí)誤區(qū)與解讀

人教版高中物理必修一中對(duì)力做功的描述是：力對(duì)物體所做的功，等于力的大小、位移的大小、力與位移夾角的余弦這三者的乘積，其表達(dá)式W=Flcosα。如果只是圍繞功的定義來分析，就會(huì)把重點(diǎn)放在力的大小、位移大小和夾角上，過分強(qiáng)調(diào)公式中l(wèi)是質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于地面的位移大小，卻忽略了兩個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)：一是認(rèn)為位移一定是以地面為參考的；二是認(rèn)為l一定代表位移。實(shí)際上，位移并不一定是以地面為參考的，只是為了方便研究地面上物體的運(yùn)動(dòng)而選擇的慣性參考系。此外，值得強(qiáng)調(diào)的是公式中的F必須是恒力，因?yàn)楫?dāng)物體是在變力作用下發(fā)生空間位置變化時(shí)，這時(shí)l可能就不是位移了。

（二）實(shí)例分析

二、勢(shì)能的認(rèn)識(shí)誤區(qū)與教學(xué)分析

（一）勢(shì)能的認(rèn)識(shí)誤區(qū)與解讀

人教版高中物理必修一中對(duì)勢(shì)能的描述是：勢(shì)能也叫位能，與相互作用的物體的相對(duì)位置有關(guān)。于是，部分教師在教學(xué)時(shí)只關(guān)注到“相對(duì)位置”，一味強(qiáng)調(diào)勢(shì)能的“相對(duì)性”，而忽略了勢(shì)能的相互性，即系統(tǒng)性，導(dǎo)致學(xué)生誤以為物體的勢(shì)能是物體本身具有的，其大小僅與物體到參考平面（零勢(shì)能面）的距離有關(guān)。實(shí)際上，勢(shì)能又叫互能，物體的勢(shì)能不僅與物體所在系統(tǒng)中的相對(duì)位置有關(guān)，還與物體所處的系統(tǒng)有關(guān)。比如，質(zhì)量為m的物體位于距零勢(shì)能平面高度h位置時(shí)具有的勢(shì)能mgh是屬于地球和物體組成的系統(tǒng)所共有，它不但與物體所處的高度有關(guān)，還與地球有關(guān)。因此，教師應(yīng)幫助學(xué)生理解勢(shì)能的系統(tǒng)屬性，避免產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)傾向。

（二）實(shí)例分析

把同一物體放在距地球表面和月球表面同樣高度的地方，為什么物體的引力勢(shì)能不同？在教學(xué)中，要引導(dǎo)學(xué)生分析重力勢(shì)能產(chǎn)生的原因和條件，使他們理解重力勢(shì)能的系統(tǒng)屬性，從而得出物體即使在系統(tǒng)中的相對(duì)位置即高度一樣的情況下，由于物體所處的系統(tǒng)不同即物體所處的力場(chǎng)強(qiáng)弱不同，使得物體的重力勢(shì)能也不同。同理，彈簧彈性勢(shì)能、電勢(shì)能等都屬于互能，只不過彈簧的彈性勢(shì)能是彈簧和相連質(zhì)點(diǎn)所共有的，電勢(shì)能是相互作用的電荷或者電荷及對(duì)它作用的電場(chǎng)所共有的。總之，只有學(xué)生理解勢(shì)能是由物體間的相互作用力大小和相對(duì)距離共同決定的，是一種系統(tǒng)能，才能在問題解決中避免錯(cuò)誤發(fā)生。

三、做功與勢(shì)能變化關(guān)系的認(rèn)識(shí)誤區(qū)與教學(xué)分析

（一）電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化關(guān)系的認(rèn)識(shí)誤區(qū)與解讀

由于前面進(jìn)行重力做功與重力勢(shì)能變化關(guān)系的教學(xué)時(shí)，物體所在區(qū)域的重力場(chǎng)認(rèn)為是穩(wěn)定不變的，導(dǎo)致在進(jìn)行電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化關(guān)系的教學(xué)時(shí)很容易產(chǎn)生兩個(gè)誤區(qū)：一是電場(chǎng)力做功的位移仍以地面為參考系；二是認(rèn)為電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做的功就等于粒子電勢(shì)能的變化。實(shí)際上任何一個(gè)獨(dú)立的帶電體，都可以看作一個(gè)由無限多個(gè)微元構(gòu)成的靜電體系，由于各個(gè)微元之間也有相互作用，所以也存在靜電能，因此帶電體本身也有靜電勢(shì)能，這一靜電勢(shì)能叫做這個(gè)帶電體的“自能”，而這個(gè)帶電體與其他帶電體激發(fā)的電場(chǎng)之間的靜電勢(shì)能才叫“位能”，也稱為“互能”。通常情況下，當(dāng)帶電體在其他電荷激發(fā)的電場(chǎng)作用下其所帶電荷分布不變時(shí)（比如點(diǎn)電荷），該帶電體的自能自始至終不變，不影響靜電勢(shì)能的變化，此時(shí)帶電體系的靜電勢(shì)能就可認(rèn)為等于互能，即EP=E互=q漬，其中漬是點(diǎn)電荷q所在點(diǎn)的外電場(chǎng)的電勢(shì)；但是，當(dāng)帶電體在其他電荷激發(fā)的電場(chǎng)作用下其所帶電荷分布發(fā)生變化時(shí)，多個(gè)帶電體或靜電場(chǎng)構(gòu)成的帶電體系的靜電能包含自能和互能兩部分，即EP=E自+E互，電勢(shì)能的變化應(yīng)等于這兩部分變化之和。

高中物理功和勢(shì)能及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系既是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)，又是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。受思維定式等多方面因素影響，學(xué)生在學(xué)習(xí)功的過程中極易錯(cuò)誤地認(rèn)為功的公式中l(wèi)一定代表位移，且位移一定是以地面為參考的；在學(xué)習(xí)勢(shì)能的過程中會(huì)忽略勢(shì)能是一種系統(tǒng)能，忽視勢(shì)能是由物體間的相互作用力大小和相對(duì)距離共同決定的；在學(xué)習(xí)電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化關(guān)系過程中誤認(rèn)為電場(chǎng)力做功的位移一定以地面為參考系和電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做的功就等于粒子電勢(shì)能的變化。若要使學(xué)生避免這些錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)與誤區(qū)，教師在教學(xué)中一方面要對(duì)這些概念和規(guī)律的內(nèi)涵進(jìn)行全面深入挖掘，教會(huì)學(xué)生掌握概念建立、規(guī)律總結(jié)和公式推導(dǎo)過程，弄清楚物理概念、規(guī)律中每個(gè)物理量的內(nèi)涵、外延及其適用條件和范圍等，而不是教學(xué)生簡(jiǎn)單機(jī)械地死記硬背相關(guān)概念、規(guī)律和公式等[2]；另一方面，要使學(xué)生在學(xué)習(xí)中仔細(xì)研讀教材所有內(nèi)容，深挖教材內(nèi)涵，尤其是教材中的“思考與討論”和“旁批”等欄目值得深入研究，這些欄目往往蘊(yùn)藏著許多值得深思的物理問題和知識(shí)。總之，在教學(xué)實(shí)踐中，只有深刻把握教材，弄清物理概念與規(guī)律的內(nèi)涵、本質(zhì)與外延，才能使學(xué)生真正理解物理概念與規(guī)律，促進(jìn)核心素養(yǎng)的形成。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白云鳳.高中物理問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)促進(jìn)學(xué)生知識(shí)進(jìn)階實(shí)踐研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2022.

[2] 曾小英.高中物理概念和規(guī)律意義習(xí)得的教學(xué)研究[D]. 上海：華東師范大學(xué)，2011.

課題項(xiàng)目：2022年度貴州省理論創(chuàng)新課題貴州師范學(xué)院聯(lián)合項(xiàng)目（專項(xiàng)）“民族地區(qū)物理課程資源開發(fā)與應(yīng)用研究”（GZLCLHZXZD-2022-08）

見習(xí)編輯/張婷婷