中学物理功能关系的教学探究

中学物理功能关系的教学探究冉高飞第一章功能关系在中学物理中的重要地位功能关系即物体做功和能量转化之间的关系，这在整个中学物理教学中有着十分重要的地位，也是高考必考之考点之一，它贯穿于力学、热学、电磁学、光学和原子物理学各个部分中。可以说在高中阶段是无处不有它的存在，力对物体的作用就是对物体做功的体现，主要有重力做功；拉力做功；弹力做功；摩擦力做功；安培力做功；电场力做功等，而这之中就伴随着我们各种能量之间的相互转化，重力势能；弹性势能；动能；内能；电能等之间的相互转化，而这一切的转化过程又都遵守我们的能量守恒定律，能量概念又是物理中的一个比较抽象的概念，是学生学习物理的障碍之一，也是教学中的难点内容；从能量观点分析和解决问题，需要有较高的思维起点，需要学生具有综合运用所学知识，以及对物理过程进行全面、深入分析的能力，因而成为近年来高考、物理能力测试、全国中学生物理竞赛的好素材。在中学教学中，指导好学生学好这部分内容，使学生真正全面正确理解能量，熟练运用能量知识解决物理问题显得很重要。而我们的能量又跟力学紧密联系着，所以功能关系的重要性就不言而喻了，目前的所有现象都可用功能关系比较完备地理解，学科中各领域的局部里都可用功能关系在逻辑上演绎，所以无论是从宏观上把握物理学科的整体结构，还是局部的求解一个具体的物理问题，功能关系的运用都十分的重要。第二章能量守恒定律及其运用（一）机械能守恒条件的理解1、首先应明确机械能守恒定律研究的对象是一个系统，这个系统通常有三种组成形式：（1）由物体和地球组成；（2）由物体和弹簧组成；（3）由物体、弹簧和地球组成。对系统而言，只有重力或弹力做功，系统的机械能守恒，系统内的重力和弹力做功只会使机械能相互转化或使机械能转移，机械能的总量不变，如果系统所受的外力对系统内的物体做功，会使系统的机械能发生变化；如果有系统内部的耗散力（如摩擦力）做了功，则会使系统的一部分机械能转化成内能，从而使系统的机械能减少。2、系统机械能是否守恒的判断：（1）利用机械能的定义：若物体在水平面上匀速运动，其动、势能均不变，其机械能总量不变，若一个物体沿斜面匀速下滑，其动能不变，重力势能减少，其机械能减少。此类判断比较直观，但仅能判断难度不大的判断题。（2）利用机械能守恒的条件，即系统只有重力（和弹簧的弹力）做功，如果符合上述条件，物体的机械能守恒。（3）除重力（和弹簧的弹力）做功外，还有其他的力做功，若其他力做功之和为零，物体的机械能守恒；反之，物体的机械能将不守恒。3、应用机械能守恒定律列方程的两条基本思路：（1）守恒观点：初态机械能等于末态机械能。即Ek1+Ep1=Ek2+Ep2（2）转化观点：动能（或势能）的减少量等于势能（或动能）的增加量。即Ek1－Ek2=Ep2－Ep1或Ep1－Ep2=Ek2－Ek1（三）能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式的能转化为另一种形式的能或者从一个物体转移到另一个物体，这就是能的转化和守恒定律。1、能量守恒定律应从下面两方面去理解：（1）某种形式的能减少，一定存在其它形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。（2）某个物体的能量减少，一定存在其它物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等，这也是我们列能量守恒定律方程式的两条基本思路。2、摩擦力做功的特点：（1）静摩擦力做功的特点A、静摩擦力可以做正功，也可以做负功，还可以不做功。B、在静摩擦力做功的过程中，只有机械能的相互转移（静摩擦力起着传递机械能的作用），而没有机械能转化为其它形式的能。C、相互摩擦的系统内，一对静摩擦力所做功的和总是等于零。（2）滑动摩擦力做功的特点如图所示，顶端粗糙的小车，放在光滑的水平地面上，具有一定速度的小木块由小车左端滑上小车，当木块与小车相对静止时木块相对小车的位移为d，小车相对地面的位移为s，则滑动摩擦力F对木块做的功为W木=－F（d+s）①由动能定理得木块的动能增量为ΔEk木=－F（d+s）②滑动摩擦力对小车做的功为W车=Fs③同理，小车动能增量为ΔEk车=Fs④②④两式相加得ΔEk木+ΔEk车=－Fd⑤⑤式表明木块和小车所组成系统的机械能的减少量等于滑动摩擦力与木块相对于小车位移的乘积，这部分能量转化为内能。综上所述，滑动摩擦力做功有以下特点：①滑动摩擦力可以对物体做正功，也可以对物体做负功，还可以不做功。②一对滑动摩擦力做功的过程中，能量的转化有两种情况：一是相互摩擦的物体之间机械能的转移；二是机械能转化为内能，转化为内能的量值等于滑动摩擦力与相对位移的乘积。③相互摩擦的系统内，一对滑动摩擦力所做的功总是负值，其绝对值恰等于滑动摩擦力与相对位移的乘积，即恰等于系统损失的机械能。3、用能量守恒定律解题的步骤：（1）分清有多少种形式的能（如动能、势能、内能、电能等）在变化；（2）分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式；（3）列恒等式ΔE减=ΔE增求解。第三章功能关系纵观近几年全国及天津高考理综试题，功能关系的题型在整个高考理综物理试题中占有十分重要的地位。功能关系体现了一种重要的物理思想和思维方法，是高中物理的重要组成部分，作为冲刺2012年的高考考生，对功能关系应该有深刻的认识和领悟。做功的过程就是能量转化的过程，做功的数值就是能量的转化的数值，这是功能关系的普遍意义。一种力做功一定对应着一种能量的变化，总之，功是能量变化的量度，这是贯穿整个物理学的一个重要思想。学会正确分析物理过程中的功能关系，对于提高解题能力是至关重要的。下面就针对这一部分内容进行一下归纳:（一）：做功的过程就是能量的转化过程，做了多少功，就有多少能量发生了转化，功是能量转化的量度，在高中物理中常见的几组功能关系1．重力做功对应物体重力势能的变化W＝-ΔEp＝Ep1－Ep22．弹簧弹力做功对应弹性势能的变化W＝-ΔEp＝Ep1－Ep23．电场力做功对应电势能的变化W电=－△Ep4．安培力做功对应电能的变化W安=－△Ep5．合外力做功对应物体动能的变化W合=△Ek6．除重力和弹力以外的力做功对应系统机械能的变化W＝ΔE＝E－E．7．一对滑动摩擦力的总功对应系统动能的变化Wf总=△Ek系统=－fL相对8．一对静摩擦力的总功对应系统内物体间机械能的转移Wf总=0（二）：利用功能关系解题的基本思路1.选取研究对象，确定研究过程2.明确在一个物理过程中有哪些力参与了做功，有哪些能量参与了转化3.根据功与能的一一对应关系列方程4.解方程，对得出的结果加以分析。参考文献：（1）普通高中课程标准实验教科书物理必修2（2）全日制普通高级中学物理（必修加选修）第二册（3）能量概念是整个物理学的基本概念，能量的转化和守恒定律是物理学的基本原理，贯穿于力学、热学、电磁学、光学和原子物理学各个部分中。目前的所有现象都可用能量概念比较完备地理解，学科中各领域的局部里都可用能量概念在逻辑上演绎，所以无论是从宏观上把握物理学科的整体结构，还是局部的求解一个具体的物理问题，能量概念都很重要。从整个高中物理的学习来看，教材在结构上把力概念和牛顿定律放在核心位置，课程内容的组织、例题到习题以及教师的平时教学更多的是围绕力的概念、受力分析和牛顿定律来设计。相对而言能量(守恒)概念的运用就处于次要的位置，这使学生在思维上习惯以力概念来描述相互作用。当遇到力的概念不能解决或不能很好解决的问题时，用能量、动量概念来取代，这对学生的思维必然产生消极影响，也就是产生了负迁移。在大多数物理教师的教学中，已经注意到了用“能量的观点来指导学生分析问题和解决问题。但长期以来，用“能量观”作为物理教学的一种基本教学指导思想还远未建立。在教学实践活动中，也远未建立起一套比较成熟的教学方法。正因为这样，物理学的课堂教效率始终没能达到较高的水平。本课题将如何培养学生运用能量观点综合分析和解决问题主线展开研究。1．2课题的研究现状能量概念是物理中的一个比较抽象的概念，是学生学习物理的障碍之一，也是教学中的难点内容；从能量观点分析和解决问题，需要有较高的思维起点，需要学生具有综合运用所学知识，以及对物理过程进行全面、深入分析的能力，因而成为近年来高考、物理能力测试、全国中学生物理竞赛的好素材。在中学教学中，指导好学生学好这部分内容，使学生真正全面正确理解能量，熟练运用能量知识解决物理问题显得很重要。通过对中国学术期刊全文数据库的检索发现，从1994年到2007年初关于能量教学的论文共有232篇，其中关于中学物理的22篇。以能量守恒为检索词共检第一章高中物理能量相关知识的教学研究到19篇关于中学物理的，以能量概念为检索词共检到46篇关于物理的，其中六篇关于中学物理教学的。在中国优秀硕博论文全文数据库中没有关于能量知识教学的研究。在国外，有关能量概念的研究始于20世纪70年代末、80年代初。20多年来，研究者采用问卷、测试、访谈等方法，对小学、中学到大学各年级跨度的教师和学生进行了研究，从多个角度揭示了学生对能量概念理解上的问题，并在其研究的基础上，从多个方面提出了改进能量概念教学的建议。在有关的文献中，大家都认识能量教学在中学物理中的重要性，都提出要重视能量教学，使学生全面理解能量，能够熟练运用能量知识解决物理问题。在教学安排上几乎都是提倡在高三复习阶段整理能量知识网络图(概念联系图)，开设能量专题训练课。而对实际中存在两方面问题极少阐述并提出可行解决方案：①即使进行了大量的专题训练，在实际运用中大多数学生仍想不起运用能量的观点解决问题。②在实际应用中对各种能量的转化过程分析不清，而能量守恒定律又无确切的计算公式，常引起误用。关于能量的教学有待进一步研究。1．3本课题研究的主要内容针对能量知识教学中存在的问题，本课题以“能量观点为主线，通过查阅文献，做问卷调查，比较各版本教材对部分知识的阐述，研究高考和竞赛的规律，对高中物理涉及的能量知识从普通物理的角度加以明确阐述并对一些问题进行澄清，全面分析教学大纲和课程标准对能量知识的要求，对高中物理教师的教学情况进行了解，分析教师在认识和教学中存在的误区，对高中学生运用能量观点分析和解决问题的思维障碍和困难进行了探讨；根据中学生的认知特点，分析错误的成因并提出教学建议和策略。第二章能及能量转化与守恒定律的建立2．1能量转化与守恒定律的建立能量转化与守恒定律的确立，揭示了机械、热、电、光、化学等各种运动形式之间相互联系并相互转化的统一性，是物理学发展史上继牛顿运动力学将天体运动和地面物体运动的大综合之后的第二次大综合，被称为19世纪自然科学的“三大发现”之一。它不仅是自然科学的一条基本规律，而且也给哲学上的运动不灭原理提供了可靠的科学依据，更是检验一个科学理论是否正确的基本准绳之一。中国古代和古希腊的哲学家早已提出“运动不灭”思想。明朝的王夫之在深入手工作坊考察墨烧汞过程中，得出“胜非创有，死非消灭的重要结论，已有守恒原理的萌芽。对于机械运动与热运动之间可以相互转化事实，虽然在古代就为人们所知道，但是它们之间的定量转化规律的揭示，则有经历了一个漫长的历程。2．1．1能量转化与守恒定律建立的各方面的准备1、认识热的本质在历史上，对于热的本质有两种对立的观点，一种是把热堪称某种特殊物质(热质)，叫热质说；另一种是把热堪称物体内部分子的运动，叫运动说，后来逐步形成为分子动理论。两种观点进行过长期的争论。为了鉴别这两种观点孰是孰非，人们开展了实验研究和理论思考。在18世纪末到19世纪中叶，科学家从三个方面对热质说作出了了明确的否决，热学才逐渐形成严密的理论体系。首先，关于热质是否具有重量的问题。伦福德伯爵对的热的本质作过周密的考查。他在1799年公布了一个实验，这个实验的目的是测量“热质的重量，看看一定重量的物质在温度变化前后重量有何变化。他用三个完全一样的瓶子分别装有等量的水、酒精和水银，放在一间恒温(160C)的大房间内，搁置24小时后，用当时欧洲最精密的天平(灵敏度大百万分之一)来称重量。为了保证三个瓶子重量严格相等，她在较轻的瓶子颈上挂上一小段极细的银丝。然后将三个瓶子都移到OoC的房子里，保持完全静止不受扰动，48