从能量守恒定律的教学谈三维目标的实现

杨改花

从能量守恒定律的教学谈三维目标的实现

杨改花

1 从“能量守恒”的发现史，体验、领悟从现象到本质的辩证认识过程

“能的转化和守恒定律”是19世纪自然科学的三大发现之一。回顾历史，这一发现不是偶然的，它是在普遍联系的大量实施的基础上，通过众多科学家艰辛探索而最终得出的。这段史料，是学生体验科学探究过程的美好“教材”。

普遍联系的发现，开始于18世纪末到19世纪初。当时蒸汽机的广泛采用，人们对热机效率以及机器中的摩擦生热问题的研究，特别是永动机设计屡屡失败的事实，大大促进人们对能量转化规律的深入思考。与此同时，其他领域内也分别发现各种运动形式的相互转化的联系。1798年，汤普森发现大炮钻孔时有大量热产生；1800年，伏特发明化学电池；1801年，戴维发现电流的化学效应；1820年，奥斯特发现电流的磁效应；1822年，赛贝克发现热电动势并制作热电源；1833年，法拉第发现电磁感应；1840年，焦耳开展对电流热效应的研究；1842年，迈尔发现“落下的力”可以使物体温度升高。所有这些，都使各种运动形式间的相互联系和相互转化的辩证关系被充分揭示出来。正是在这样的背景下，德国医生迈尔于1845年在列举25种相互转化的事实的基础上，从空气的定压比热和定容比热之差，算出大量可靠的实验资料，能量转化和守恒定律才最终巩固地建立起来。

2 纵览中学物理各部分内容，“能量转化与守恒”思想贯穿始终

在自然界中，能量守恒支配着各种物质运动形式的转化。在物理教学中依据能量守恒的思想把中学物理各部分内容有机联系起来，把已有的规律换一个角度去思考，不但可能加深对已有知识的理解，而且可以通过新的梳理融会贯通。

2.1 机械能守恒是能量守恒定律在力学中的表现形式

研究地球上的物体自由落体或抛体，若不计空气阻力，把物体和地球看做一个系统，这个孤立系统总能量不变。系统内部只有重力，当物体运动时，系统内的动能和势能相互转化，总的机械能不变。这就是机械能转化和守恒定律。

2.2 热力学第一定律是能量守恒定律的具体表述

从能的转化和守恒定律出发，非孤立系统的能量变化等于外界对系统做的功和传给系统的热量之和。对机械能不变的静止物体，其能量的变化只是物体内能的变化。一般的，物体内能的变化量等于外界对物体做的功与传给物体的热量之和，这就是热力学第一定律。

2.3 电学中的欧姆定律是能量守恒的必然结果

一个以电池为电源的电路，外电路电阻为R，电池内阻为r，电路中通一稳恒电流I时，电源把化学能转化为电能，在电路中电能又转化为内能。把包括电池的电路看做一个系统，当电荷q=It通过电路时，电池里有IEt的化学能转化为电能，在内外电阻上产生I2(R+r)t的焦耳热。根据能量守恒有IEt=I2(R+r)t，即I=E/(R+r)。这就是闭合电路欧姆定律。

2.4 在电磁感应现象中能的转化和守恒更为普遍

把矩形线框abcd放在匀强磁场里，线框平面跟磁感线垂直，当线框可动部分ab以速度v向右运动时，感应电流I在磁场中所受的安培力方向是向左的，大小为F=BIL；为了保持导线ab匀速向右运动，加在导线ab上向右的外力大小应该跟安培力F相等。在Δt时间内克服安培力所做的功为W=FvΔt=BILvΔt；在时间Δt内感应电流所做的功为W=IEΔt。根据能量守恒有IEΔt=BILvΔt，即E=BLv。这正是利用法拉第电磁感应定律得出的重要结果之一。事实上，在电磁感应中，感应电流取楞次定律所述的方向，以及自感现象中自感电动势总是阻碍回路电流变化的事实，都是能的转化和守恒定律的必然结果。

2.5 爱因斯坦光电效应方程建立在能量守恒的基础上

在光电效应中，电子吸收光子的能量后，可能向各个方向运动，有的向金属内部运动，并不出来。而向金属表面运动的电子，经过的路径不同，途中损失的能量也不同。这些光电子吸收的能量，一部分作逸出功W，剩下部分就变成电子离开金属表面后的动能。依据能量守恒有1/2mvm

2=hv-W。这正是爱因斯坦的光电效应方程。

2.6 在原子和原子核物理中能量守恒定律依然适用

玻尔原子理论关于氢光谱的两条基本假设中，跃迁条件hv=E2-E1就闪烁着能量守恒的思想。在原子核反应过程中粒子的能量（包括静止能量）之和，在反应前后总是不变的。

3 小结

综上所述，能量守恒具有普遍性，它不仅适合宏观，也适合微观，它蕴含在物理学的各个领域之中，是许多物理问题研究的最初依据和最终归宿。引导学生用能量的观点纵观中学物理知识，不仅加深对能量守恒定律本身内容的理解，而且可以培养学生在处理复杂物理问题时，达到从自发运用到自觉运用的理性升华，获得知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三维目标的实现。

（作者单位：河北省涉县第一中学）

10.3969 /j.issn.1671-489X.2011.04.154