机械能教材分析

第五章 “机械能及其守恒定律”教材分析概述 这一章讲述功和能的概念，以及动能定理和机械能守恒定律。可把这一章视为牛顿力学的进一步展开。在牛顿运动定律的基础上，通过引入功和能的概念，得出有关机械能的规律，特别是机械能守恒定律，使人们对自然的认识更加深入，为解决力学问题开辟了新的途径。因此，这一章是力学部分的重点章。逐步加深地理解功和能的概念以及功能关系，是学习本章的基本线索，也是本章叙述的一个特点。在本章的开始就明确指出关于能量的一些概念，做功的过程是能量转化的过程，做了多少功，就有多少能量发生转化；知道了功和能的这种关系，就可以通过做功的多少，定量地研究能量及其相互转化。举例阐述上述观点，明确指出功是能量转化的量度，作为讲述机械能的开始。理解功和能的这种关系非常重要，动能和势能的定量表达就是按照这一思路确定的。学生如果能够结合具体问题逐步理解这一线索，不但有助于把这一章的知识融会贯通，而且有助于今后从能量的观点学习其他部分的知识。这一章教材注意与初中教材的联系。考虑到在义务教材中有关能量的知识比过去有所充实，本章教材在讲解功、功率、动能、重力势能、弹性势能、机械能守恒定律时，都适当复习了初中学过的内容，并在此基础上定量地展开。充分利用初中学过的知识，是本章叙述的又一个特点。在教学中注意初高中的联系，充分利用和复习初中讲过的知识，以便于自然地过渡到新知识的讲解。解决力学问题，学生往往习惯于运用牛顿运动定律和运动学的知识，以为这样具体可信，而不习惯从能量的观点和守恒的观点来处理，能量的观点和守恒的观点在物理学中十分重要，要培养学生逐步学会从能量的观点和守恒的观点来分析力学问题，这是本章的基本要求。第1节：追寻守恒量在过去的教学中，我们总是先学习能量的概念，而后研究一两个具体问题，发现动能与势能之和在某些过程中不变，由此引出机械能守恒定律。实际上，在物理学的发展过程中，能量的概念几乎是与人类对能量守恒的认识同步发展起来的，能量的概念之所以重要，就是因为它是个守恒量。守恒关系是自然界中十分重要的一类关系，我们强调方法的教育、观念的教育，就要从中学时代开始加强学生对守恒关系的认识。根据这样的思想，本书把守恒思想的提出放到了具体的能量概念之前，并把它渗透在能量学习的全过程。今后在其他守恒关系的处理时也会遵循这样的原则。第2节：功沿着初中物理的思路，我们仍然强调功与能量变化的联系，因此在第一次提到“功”这个术语时就说：“如果物体在力的作用下能量发生了变化，那么这个力一定对物体做了功”。不仅如此，图5.2-1还分别展示了做功与能量变化的关系的几种不同情景。本书多处用了卡通图来描述情景，主要目的还不只是引起读者的兴趣。与照片相比，卡通图能够更生动地、夸张性地突出我们所要表现的物理思想。许多学生学不好物理，原因之一是他们对于所讨论的问题不能建立明确的、动态的物理图像，物理学的内容在他们的头脑中只是一些条文与公式。而实际上，物理学的条文与公式不过是一种语言，它们帮助我们把实际情景中蕴含的科学概念和规律抽象出来，但最终还要归结为生动的情景。第3节：功率第8页P=Fv的关系可以适用于瞬时速度和瞬时功率，推导过程中相应地应该用。考虑到如果这里再引入平均功率与瞬时功率的概念会过于繁琐，所以用了。教学时注意公式的适用条件就可以了。关于额定功率，一种说法是“机器正常工作时的功率”。这是由初中课程中电灯等用电器的额定功率那里引申而来的，对于机器并不合适。在本书所用的例子中，某汽车发动机在平直公路上的功率只有20 kW左右，能说发动机的工作不正常吗？动力机械是这样，电动机等工作机械也是这样，实际功率经常小于额定功率。本书在这里用了较多笔墨，还配备了例题，目的就是让学生区分几种“功率”。第4节：重力势能与过去的处理方法相比，本书认真分析了重力做功与路径是否有关的问题。这样做的目的不是为了追求严密。严密性本身不应成为追求的对象。是想有助于学生形成严肃认真的科学态度。我们不是鼓励学生质疑吗？学到势能的时候，我们又举例又画图，进行详尽的分析，那么，这样的话就到学生的嘴边了：如果物体从A沿着另外一条路线到达B，重力做的功可能不一样，那么A点的势能应该算是多少？我们不能叶公好龙，不能回避。到了这里，即使有的学生没有提出这样的疑问，我们还要帮助他提呢！学习物理课不能总是想着怎样让学生简洁轻快地学到物理知识，我们是在培育一代新人，他们应该具有追根究底的习惯，“自圆其说”应该是学习中起码的追求。需要说明的是，本书强调科学方法，用比较高的观点处理问题，有多处表现，这些东西只要求学生能够“跟”来，并不要求学生去重复。也许一段时间之后他们记不清课本所写的内容了，但这样走过的路会在他们的心中留下印记，形成他们的“科学素质”。在讨论物体沿任意路径运动时重力做功的问题时，又一次用到了极限的思想。经过多次接触，学生对这样的方法应该比较熟悉了。“问题与练习”在第14页的第3题要讨论有空气阻力时的下落情况。这是为了让学生更接近实际情况，哪怕是定性的也好。第5节：探究弹性势能的表达式课标不仅规定了对于知识与技能的要求，还规定了对于过程与方法、情感态度与价值观的要求。这节是为了通过科学探究来落实后两个课程目标而设立的。中学课程中的科学探究，是通过学生自己的探索性活动，变未知为已知的一类学习过程，其中是否包含实验，并不是它的本质特征。这节的探究就是一个不包含实验的探究。既然功是能量变化的量度，既然重力势能的表达式是通过重力做功的分析得来的，很自然地会想到通过弹力做功可以得到弹性势能的表达式。研究一件事物总是先从表面的、定性的考察开始。因此，我们先考虑弹性势能的表达式可能与哪几个物理量有关。然后就是技术性的问题：怎样计算拉力所做的功。这里，求和的极限的方法派上了用场如果在学习匀变速直线运动的位移、重力做功与路径无关等课题时认真地体验过所用的方法，到这时应该能够大致得出所要的结论。课标没有对弹性势能的表达式提出要求，也就是说这个素材可以不受知识与技能目标的束缚，所以我们完全地把着眼点放到过程与方法上。这节课重在参与。结论的对错不再是心理负担，学生就能真正自由地进行一次探究。本节对没有任何要求，不要用这个表达式去解题。教师可以根据具体情况采用不同的方式进行教学。第6节：探究功与物体速度变化的关系本节的思路是第4、5节的继续，用做功与能量的关系探索另一种能量及其表达式：动能。由于动能的问题比势能复杂些，所以本节暂不直接涉及动能，而是先研究一个与动能密切相关的物理量速度与做功的关系。以上想法在学习本节之前要让学生明白。实验的写法承袭了本书的一贯风格：不规定具体的实验步骤，但讲清思路，在操作技巧和数据处理方面给出提示。这样会使学生既有章法可循，又有自由创作的空间。本书在实验技能上也是有意安排循序渐进的。例如，本节的数据处理又遇到作拟合曲线的技巧，但前面已经接触过，到这里不至于无从下手。这个问题中，由于事先不知道功W与速度v的关系，需要进行尝试。用计算机拟合会方便得多，应该提倡。第7节：动能和动能定理上节的探究结果只是向我们暗示：物体的动能极可能与速度的二次方成正比，但是否真的这样，还要进一步分析。至于怎样分析，要依具体问题而定，可能是实验分析，也可能是理论分析。本书是通过理论分析最后完成的。过去对于新概念、新规律的引入过于简单，不是“通过实验得到了结论”，就是“通过推导得到”。这种做法把复杂的事情简单化，它的最大问题是抹杀了科学的过程。享受科学首先是享受它的过程、享受探索的乐趣。没有了过程，还能有多少情感态度与价值观的教育呢？基于以上理念，本书在经过分析后得知物体做功的表达式与的关系后，于第18页底到第19页顶写道：“很可能是一个具有特定意义的物理量这也印证了我们的想法”。本书希望这样做能减弱过去教学给学生造成的简单化的印象，增加一些不确定性，增加探索的气氛。书中这类问题的处理方法是为教学而设计的，不一定与历史轨迹完全相同，但却符合人们探究时的认识规律，体现了科学探究的特点。第8节：机械能守恒定律过去是计算物体自由下落时的能量，从而得知机械能守恒，进而推广到普遍的机械能守恒定律。本书则先定性地分析多个具体事例，猜测动能与势能的可能的关系，然后定量计算物体只在重力作用下的能量变化情况，这样来得到机械能守恒的关系。计算中不涉及动能和重力势能的具体表达式，所以更具有普遍性，这点可以向学生说明。第9节：实验：验证机械能守恒定律本节仍然采用了不给步骤给思路，同时进行难点提示的写法。在前面的实验中，测速度时都是用两点间的平均速度代表其中某点的瞬时速度，在这节的第27页，证明了“做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于与它相邻的两点间的平均速度”。前面没有使用这个方法，目的是使学生更多地通过实验认识瞬时速度，同时也是为了避免盲目追求精确度的倾向。在过去的教学中，这个结论是以一个习题的形式出现的，这里做了正式的证明。这也是为了给学生加深这样的印象：无论做什么事情，采用一个新的方法，必须有可靠的根据，不能草率从事。第10节：能量守恒定律与能源本节分为两部分。第一部分简述发现能量守恒定律的历史，基本思想是：能量守恒定律的发现不是偶然的，它是人类对自然认识发展到一定阶段的产物；除了物理学外，别的学科对能量守恒定律的发现也有贡献。书中还提到曾经发现有的核反应中似乎能量并不守恒，后来发现是没有把中微子的能量考虑进去。指出这一事例的目的是说，质疑不仅能催生新的理论，同时能够考验已知的真理。本节“思考与讨论”的作用就是一个质疑的范例，它引导我们考虑能量转化和能量转移的方向性。这是本节的第二部分内容。过去的中学物理课程不涉及这个问题，新课程更多地与社会实际相联系，因此对能源问题做了讨论，而研究能源，从物理学的角度看自然要谈宏观过程的方向性。在必修模块中这只是简单地提一提，如果学生继续学习物理，在选修1-2和选修3-3中还有深入一些的讨论。问题和练习中的第3题主要是从科学态度的角度考虑的，目的是让学生关心科学技术与社会的关系，重点在参与，不要求学生一定能提出多少有价值的意见。 2006年12月 於孝军