凸現(xiàn)守恒思想滲透傳播物理文化

1、凸現(xiàn)守恒思想傳播物理文化 解讀追尋守恒量的教學王高（發(fā)表在物理教學 2014 年第 4 期）大千世界在不斷地變化著， 既有質(zhì)的變化， 更有量的變化， 變化是絕對的。 我們不僅要看到變化更要把握變化，找出事物變化中保持不變的規(guī)律。無論是社會科學還是自然科學，都會尋求某種不變性，在科學上稱之為守恒，在數(shù)學上就是不變量，研究物理就需要追尋這種守恒量。人教版新教材中增加了追尋守恒量能量內(nèi)容，并把它放在機械能守恒定律這一章的第一節(jié)，正是這種研究思想的體現(xiàn)，旨在引導學會尋找守恒量，并從守恒量出發(fā)引入能量概念，把能量守恒思想滲透在機械能學習的全過程中，充分體現(xiàn)了新課程的教學理念，重視知識獲得的方法和過程，傳

2、播物理中的守恒文化。一、為什么要追尋守恒量1必要性守恒現(xiàn)象在社會生活和自然界中是普遍存在的，發(fā)現(xiàn)守恒是物理研究的重要途徑和方向，正如諾貝爾物理學獎獲得者德國物理學家勞厄所說： “物理學的任務是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律。因為這樣的規(guī)律的最簡單的形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性，所以對于守恒量的尋求是合理的，而且也是極為重要的研究方向。 ”所以，物理學習中追尋守恒量是很有必要的。2可行性在現(xiàn)實生活中蘊涵著普遍的 “不變 ”的思想， 很多實驗現(xiàn)象能很好地說明。 例如，牛頓擺中的小球的交換運動；伽利略理想斜面實驗中小球在兩個光滑斜面之間的來回往復運動；單擺擺球的往復運動， 這些運動中的小球好像 “記得 ”自

3、己起始的高度，然后還能重復前面的運動。 “記得 ”用物理學的語言描述就是 “某個量是守恒的 ”.即在這個過程中有一個量是守恒的。 正如物理學家費恩曼說 “有一個事實，如果你愿意，也可以說是一條定律，支配著至今所知的自然現(xiàn)象， 這條定律稱做能量守恒定律。它指出有某一個量，我們把它稱為能量，在自然界經(jīng)歷的多種多樣的變化中它不變化。那是一個最抽象的概念。 ”我們完全可以通過上述的實驗開展追尋守恒量的探究活動。3重要性物質(zhì)在運動變化過程中都要滿足一定的守恒規(guī)律，通過尋找守恒量可以發(fā)現(xiàn)守恒定律。守恒關(guān)系是自然中十分重要的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)守恒關(guān)系是極為重要的研究方向，開辟了一種新的簡單的解決問題的途徑，加強對守

4、恒關(guān)系的認識有益于學生的物理學習。追尋守恒量就是讓學生體驗追尋的過程，領(lǐng)悟守恒思想，加強學生對能量守恒規(guī)律的認識。能量守恒是用功能觀點解決問題的核心思想，它與運動分析、受力分析及能量分析相結(jié)合，可以解決更多、更復雜的問題。守恒是客觀規(guī)律，發(fā)現(xiàn)守恒是科學的勝利，認識守恒是美的享受。二、如何追尋守恒量追尋離不開探究，在探究中能量守恒的條件比較難以滿足，一般是通過觀察、討論、猜測、分析等手段進行探究，這就需要教師和學生之間開展有效的互動。在互動過程中，教師要引導學生的思考方向，把握教學節(jié)奏，實現(xiàn)師生思維共振，情感共鳴。教材中是從伽利略的斜面實驗展開探究的，如圖 1 所示，小球從 A 點滾下，它要滾上

5、另一個斜面，無論另一斜面是更陡些還是更緩些，小球所能到達的最高點的ABBBhhO圖 1豎直高度總與它出發(fā)時的高度相同。看起來小球好像 “記得 ”自己起始的高度或與高度相關(guān)的某個量。追尋守恒量的過程大致可分為以下幾個步驟：1.確定探究的過程并做精細描述我們發(fā)現(xiàn)小球在兩個斜面之間總是在來回往復的運動，這個運動過程具有重復性，即是重復性運動過程。為了研究方便，我們?nèi)∑渲械囊粋€完整來回運動，即:AOBOA 來展開研究 .對過程的研究往往是從對過程的描述開始的.對過程的描述需要精細、全面、理性 .，這有益于我們探究活動的深入開展。2. 尋找變量及其變化情況在這個重復性運動過程中， 有些量是變化的， 有些

6、量是不變的， 我們不妨分段研究來尋找變量及其變化情況，見下表。階段v的變化h的變化v與h的變化關(guān)系A-O變大變小v 長 h 消O-B變小變大v 消 h 長B-O變大變小v 長 h 消O-A變小變大v 消 h 長3.尋找 “消 ”與 “長 ”的組合變量從上表中我們發(fā)現(xiàn)，速度 v 和高度 h 在運動中是不斷變化的，而且在變化中有著 “此消彼長 ”的關(guān)系，進一步研究發(fā)現(xiàn)， “此消彼長 ”是存在守恒量的必要條件。4. 消“”與“長”組合中變量大小的比較存在 “此消彼長 ”的變量就一定存在守恒量嗎？這就需要對存在守恒量的充分條件進一步探討。也就是要對 “消”與“長 ”的變量的大小進行比較，看看“消”的量

7、與“長”的量是否相等。由于高度的運動狀態(tài) ; 的大小 .h 與速度 v 具有不同的物理意義 : 高度描述物體的位置 , 速度描述物體并且它們有不同的單位 ,是不同的物理量 , 因此不能直接比較這兩個量我們知道，通過 “轉(zhuǎn)化 ”可以將不同的量轉(zhuǎn)化為同一量進而實現(xiàn)可比。速度 v 與動能相關(guān)，高度 h 與重力勢能相關(guān)，動能和勢能都表示物體具有的能量，并且動能和勢能具有相同的單位 , 可以相互轉(zhuǎn)化 .這樣，針對 v 和 h 的量化借助于能量概念取得了一致，這就為定量考察v 和 h 的此消彼長過程是否存在守恒量成為可能。5.判斷是否存在守恒量a g sin根據(jù)前面所學的動力學知識可知，物體在斜面上運動的

8、加速度為從 A 到達任意一點（該點離地面的高度為 h）的速度為v2ax2g sinh h2g( h h ) ，sin所以該點的機械能 E1 mv2mgh mgh ，即機械能保持不變。 說明在小球動2能的增加（或減少）與勢能的減少（或增加）過程中存在著守恒量 機械能。6.對守恒條件的分析與確認我們在實驗中實際觀察到小球滾動上升的高度在逐漸減小，說明小球的機械能是不守恒的，這又說明了什么？進一步分析可知，在追尋守恒量時必須關(guān)注相應的“守恒條件 ”。本實驗中客觀存在的摩擦阻力導致了機械能不守恒。物理量的守恒，無一例外的都要建立在某種特定的前提之上，即滿足一定的守恒條件。實際上，物理量的守恒往往都是囿

9、于考察精度內(nèi)的近似守恒。7.寫出守恒量表達式（守恒定律）在小球來回周期性運動過程中，任意兩個狀態(tài)的機械能是不變的，寫成數(shù)學表達式為： E1 E2 。守恒是自然界的普遍規(guī)律，但守恒是有范圍的、有條件的，因此人們尋找守恒量是可行的 , 也是必要的 .對上述尋找守恒量的過程還可以進行拓展 （物理學史上成功案例） ，讓學生課后去體驗領(lǐng)悟。1666 年，剛成立不久的英國皇家學會，在其例會上表演了這樣一個實驗：把兩個質(zhì)量相同的硬木球或鋼球并排掛在一起 (如圖 2)，使其中的 A 球向左偏開某一角度，松開后，它向右擺到平衡位置時跟另一球 B 相碰兩球碰撞后， A 球立刻停下， B 球向右擺去，差不多擺到 A

10、 球開始所處的高度，然后向回擺動，再次跟 A 球相撞，這時 B 球立即停下， A 球向左擺去 如此往復。當時許多科學家對這一現(xiàn)象感到困惑不解。 1668 年，英國皇家學會懸賞征求解答， 結(jié)果有三人應征獲獎， 其中對這一問題做出完整分析的是荷蘭物理學家惠更斯，因此圖 2發(fā)現(xiàn)了動量守恒規(guī)律。三、追尋守恒量的核心價值1.確立守恒量的定量表達式 守恒定律守恒是指在事物的發(fā)展變化過程中，構(gòu)成某一些量的每一部分都在發(fā)生變化，而其總和始終保持不變。守恒是人們在科學研究的過程中對自然本質(zhì)的一種認識，一種反映形式。守恒的特點是：( 1) 過程中有變化 ; ( 2) 變化中有不變量。這種特點說明了守恒量是 “變化

11、中的不變 ”，體現(xiàn)了辯證的思想，我們要注意的是“不變 ”不等于 “守恒 ”。用數(shù)學表達式將守恒關(guān)系表示出來為： x1=x2 這就是守恒定律。守恒定律是力學真理，有了它，人們對運動著的客觀事物有了更深的認識。2.樹立守恒的思想古希臘偉大的哲學家柏拉圖在 2300 多年前說過： “真正愛好知識的人永遠追求實在，不肯止于只是表面存在的種種現(xiàn)象。 ”守恒思想以及作為其具體體現(xiàn)的守恒定律，正是蘊藏于自然界色彩繽紛的表面現(xiàn)象之中的某種 “實在 ”。守恒思想最早是從物質(zhì)不滅、運動永恒上開始萌芽的。我國戰(zhàn)國時代的一個重要學派 墨家所著的墨經(jīng)中已含有樸素的物質(zhì)不滅和運動守恒思想。 到了宋、元時代，我國的科學文化

12、繁榮，對物質(zhì)和運動也有了更加深入地認識，如王夫之曾明確地指出，運動既不能創(chuàng)生，也不能消滅，并從燃燒、氣化和升華三種物質(zhì)形態(tài)變化現(xiàn)象中提出了物質(zhì)不滅的觀點。通過追尋守恒量的教學, 要使學生領(lǐng)會尋找守恒量是科學研究的重要思想和方法 , 初步樹立能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點 ;使學生認識到能量守恒的普遍性 , 從而認識到能量守恒的社會價值 .如果知識的背后沒有方法，知識只能是一種沉重的負擔；如果方法的背后沒有思想，方法只不過是笨拙的工具。知識、思想方法和能力是物理教學的三大要素，思想方法則是物理教學的精髓和靈魂。物理教學與其說是傳授豐富而深奧的物理知識， 倒不如說是以物理知識為載體、用豐富的物理思想啟迪學生

13、的智慧，使學生變得更聰明、更睿智。3.傳播物理文化物理學是人類科學文化的重要組成部分，是研究物質(zhì)、相互作用和運動規(guī)律的自然科學。古代哲學家、近現(xiàn)代物理學家和物理工作者，歷經(jīng)數(shù)千年逐步創(chuàng)造的物理知識體系、觀念形態(tài)、價值標準以及約定俗成的工作方法的總和就是物理文化。比如，我們熟悉的觀察文化、猜想文化、物理美的文化等等。其中對稱守恒美是美學文化的重要內(nèi)容之一，對稱與守恒聯(lián)系非常緊密。自然界中物質(zhì)的屬性、物理現(xiàn)象以及事物的發(fā)展變化過程中常常包含有某些對稱的性質(zhì)，對稱性質(zhì)實質(zhì)上是在某種變化下的不變性，德國數(shù)學家 Noether 給出了一個著名諾特定理：作用量的每一種對稱性都對應一個守恒定律，有一個守恒量。物理定律的對稱性也意味著物理定律在各種變換條件下的不變性。由物理定律的不變性，我們可以得到一種不變的物理量叫守恒量，相互作用的時間平移對稱性對應的是能量守恒； 相互作用的空間平移對稱性對應的是動量守恒， 相互作用的轉(zhuǎn)動對稱性對應的是角動量守恒。實際上，對稱性已經(jīng)成為當代物理學家研究物理理論的一種方法。著名物理學家楊振寧曾經(jīng)說過： “物理學的原理有它的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)有它的美跟妙的地方，而各個物理學工作者對于這個結(jié)構(gòu)的不同的美跟妙的地方的感受，有不同的了解，因為大家有不同的感受，所以每一個工作者會發(fā)展他自己獨特的研究方向跟研究方法，