高中物理功和势能的认识误区与教学分析

崔清华 魏明

摘要：功和能是解决物理动力学问题的重要工具，既是高考的高频考点，又是高中物理教学的重难点。该部分知识深奥难懂、较为抽象，如果只是通过机械的记忆和训练，极容易造成一些错误的认识。分析功和势能的认识误区和教学分析，可以让学生对功与能的概念以及功和势能变化的关系有全面、深刻、正确的认识和理解，促进学生核心素养形成与发展。

关键词：高中物理；功和势能；教学误区；教学分析

功和能在高中物理中的重要性决定了高中物理教师对功、各种形式的能、力做功与能量变化的关系这几个概念和规律的教学尤为关键。教材受篇幅的限制，不能深入、系统地对以上概念和规律进行分析，使得学生对这部分知识的认识存在误区，从而影响学生对这部分核心知识的构建。文章就功和能板块中的几个经常容易产生错误认识的问题进行探讨，以期促进功与能等知识的教学效果的提升。

一、功的认识误区与教学分析

（一）功的认识误区与解读

人教版高中物理必修一中对力做功的描述是：力对物体所做的功，等于力的大小、位移的大小、力与位移夹角的余弦这三者的乘积，其表达式W=Flcosα。如果只是围绕功的定义来分析，就会把重点放在力的大小、位移大小和夹角上，过分强调公式中l是质点相对于地面的位移大小，却忽略了两个认识误区：一是认为位移一定是以地面为参考的；二是认为l一定代表位移。实际上，位移并不一定是以地面为参考的，只是为了方便研究地面上物体的运动而选择的惯性参考系。此外，值得强调的是公式中的F必须是恒力，因為当物体是在变力作用下发生空间位置变化时，这时l可能就不是位移了。

（二）实例分析

二、势能的认识误区与教学分析

（一）势能的认识误区与解读

人教版高中物理必修一中对势能的描述是：势能也叫位能，与相互作用的物体的相对位置有关。于是，部分教师在教学时只关注到“相对位置”，一味强调势能的“相对性”，而忽略了势能的相互性，即系统性，导致学生误以为物体的势能是物体本身具有的，其大小仅与物体到参考平面（零势能面）的距离有关。实际上，势能又叫互能，物体的势能不仅与物体所在系统中的相对位置有关，还与物体所处的系统有关。比如，质量为m的物体位于距零势能平面高度h位置时具有的势能mgh是属于地球和物体组成的系统所共有，它不但与物体所处的高度有关，还与地球有关。因此，教师应帮助学生理解势能的系统属性，避免产生错误的认识倾向。

（二）实例分析

把同一物体放在距地球表面和月球表面同样高度的地方，为什么物体的引力势能不同？在教学中，要引导学生分析重力势能产生的原因和条件，使他们理解重力势能的系统属性，从而得出物体即使在系统中的相对位置即高度一样的情况下，由于物体所处的系统不同即物体所处的力场强弱不同，使得物体的重力势能也不同。同理，弹簧弹性势能、电势能等都属于互能，只不过弹簧的弹性势能是弹簧和相连质点所共有的，电势能是相互作用的电荷或者电荷及对它作用的电场所共有的。总之，只有学生理解势能是由物体间的相互作用力大小和相对距离共同决定的，是一种系统能，才能在问题解决中避免错误发生。

三、做功与势能变化关系的认识误区与教学分析

（一）电场力做功与电势能变化关系的认识误区与解读

由于前面进行重力做功与重力势能变化关系的教学时，物体所在区域的重力场认为是稳定不变的，导致在进行电场力做功与电势能变化关系的教学时很容易产生两个误区：一是电场力做功的位移仍以地面为参考系；二是认为电场对带电粒子做的功就等于粒子电势能的变化。实际上任何一个独立的带电体，都可以看作一个由无限多个微元构成的静电体系，由于各个微元之间也有相互作用，所以也存在静电能，因此带电体本身也有静电势能，这一静电势能叫做这个带电体的“自能”，而这个带电体与其他带电体激发的电场之间的静电势能才叫“位能”，也称为“互能”。通常情况下，当带电体在其他电荷激发的电场作用下其所带电荷分布不变时（比如点电荷），该带电体的自能自始至终不变，不影响静电势能的变化，此时带电体系的静电势能就可认为等于互能，即EP=E互=q渍，其中渍是点电荷q所在点的外电场的电势；但是，当带电体在其他电荷激发的电场作用下其所带电荷分布发生变化时，多个带电体或静电场构成的带电体系的静电能包含自能和互能两部分，即EP=E自+E互，电势能的变化应等于这两部分变化之和。

高中物理功和势能及其相互转换关系既是高中物理教学的重点，又是学生学习的难点。受思维定式等多方面因素影响，学生在学习功的过程中极易错误地认为功的公式中l一定代表位移，且位移一定是以地面为参考的；在学习势能的过程中会忽略势能是一种系统能，忽视势能是由物体间的相互作用力大小和相对距离共同决定的；在学习电场力做功与电势能变化关系过程中误认为电场力做功的位移一定以地面为参考系和电场对带电粒子做的功就等于粒子电势能的变化。若要使学生避免这些错误的认识与误区，教师在教学中一方面要对这些概念和规律的内涵进行全面深入挖掘，教会学生掌握概念建立、规律总结和公式推导过程，弄清楚物理概念、规律中每个物理量的内涵、外延及其适用条件和范围等，而不是教学生简单机械地死记硬背相关概念、规律和公式等[2]；另一方面，要使学生在学习中仔细研读教材所有内容，深挖教材内涵，尤其是教材中的“思考与讨论”和“旁批”等栏目值得深入研究，这些栏目往往蕴藏着许多值得深思的物理问题和知识。总之，在教学实践中，只有深刻把握教材，弄清物理概念与规律的内涵、本质与外延，才能使学生真正理解物理概念与规律，促进核心素养的形成。

参考文献：

[1] 白云凤.高中物理问题驱动教学促进学生知识进阶实践研究[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2022.

[2] 曾小英.高中物理概念和规律意义习得的教学研究[D]. 上海：华东师范大学，2011.

课题项目：2022年度贵州省理论创新课题贵州师范学院联合项目（专项）“民族地区物理课程资源开发与应用研究”（GZLCLHZXZD-2022-08）

见习编辑/张婷婷