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認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：王**（實(shí)名認(rèn)證）

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IP屬地：天津 上傳時(shí)間：2022-03-11 格式：DOC 頁(yè)數(shù)：8 大?。?13KB 積分：22 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、凸現(xiàn)守恒思想傳播物理文化 解讀追尋守恒量的教學(xué)王高（發(fā)表在物理教學(xué) 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(duì)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(wú)論是社會(huì)科學(xué)還是自然科學(xué)，都會(huì)尋求某種不變性，在科學(xué)上稱之為守恒，在數(shù)學(xué)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?jī)?nèi)容，并把它放在機(jī)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(dǎo)學(xué)會(huì)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(jī)械能學(xué)習(xí)的全過(guò)程中，充分體現(xiàn)了新課程的教學(xué)理念，重視知識(shí)獲得的方法和過(guò)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(huì)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(xué)獎(jiǎng)獲得者德國(guó)物理學(xué)家勞厄所說(shuō)： “物理學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律。因?yàn)檫@樣的規(guī)律的最簡(jiǎn)單的形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性，所以對(duì)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(xué)習(xí)中追尋守恒量是很有必要的。2可行性在現(xiàn)實(shí)生活中蘊(yùn)涵著普遍的 “不變 ”的思想， 很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能很好地說(shuō)明。 例如，牛頓擺中的小球的交換運(yùn)動(dòng)；伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)中小球在兩個(gè)光滑斜面之間的來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)；單擺擺球的往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 這些運(yùn)動(dòng)中的小球好像 “記得 ”自

3、己起始的高度，然后還能重復(fù)前面的運(yùn)動(dòng)。 “記得 ”用物理學(xué)的語(yǔ)言描述就是 “某個(gè)量是守恒的 ”.即在這個(gè)過(guò)程中有一個(gè)量是守恒的。 正如物理學(xué)家費(fèi)恩曼說(shuō) “有一個(gè)事實(shí)，如果你愿意，也可以說(shuō)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(gè)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(gè)最抽象的概念。 ”我們完全可以通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)開展追尋守恒量的探究活動(dòng)。3重要性物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程中都要滿足一定的守恒規(guī)律，通過(guò)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(jiǎn)單的解決問(wèn)題的途徑，加強(qiáng)對(duì)守

4、恒關(guān)系的認(rèn)識(shí)有益于學(xué)生的物理學(xué)習(xí)。追尋守恒量就是讓學(xué)生體驗(yàn)追尋的過(guò)程，領(lǐng)悟守恒思想，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)能量守恒規(guī)律的認(rèn)識(shí)。能量守恒是用功能觀點(diǎn)解決問(wèn)題的核心思想，它與運(yùn)動(dòng)分析、受力分析及能量分析相結(jié)合，可以解決更多、更復(fù)雜的問(wèn)題。守恒是客觀規(guī)律，發(fā)現(xiàn)守恒是科學(xué)的勝利，認(rèn)識(shí)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(guò)觀察、討論、猜測(cè)、分析等手段進(jìn)行探究，這就需要教師和學(xué)生之間開展有效的互動(dòng)。在互動(dòng)過(guò)程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生的思考方向，把握教學(xué)節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)師生思維共振，情感共鳴。教材中是從伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)展開探究的，如圖 1 所示，小球從 A 點(diǎn)滾下，它要滾上

5、另一個(gè)斜面，無(wú)論另一斜面是更陡些還是更緩些，小球所能到達(dá)的最高點(diǎn)的ABBBhhO圖 1豎直高度總與它出發(fā)時(shí)的高度相同?？雌饋?lái)小球好像 “記得 ”自己起始的高度或與高度相關(guān)的某個(gè)量。追尋守恒量的過(guò)程大致可分為以下幾個(gè)步驟：1.確定探究的過(guò)程并做精細(xì)描述我們發(fā)現(xiàn)小球在兩個(gè)斜面之間總是在來(lái)回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有重復(fù)性，即是重復(fù)性運(yùn)動(dòng)過(guò)程。為了研究方便，我們?nèi)∑渲械囊粋€(gè)完整來(lái)回運(yùn)動(dòng)，即:AOBOA 來(lái)展開研究 .對(duì)過(guò)程的研究往往是從對(duì)過(guò)程的描述開始的.對(duì)過(guò)程的描述需要精細(xì)、全面、理性 .，這有益于我們探究活動(dòng)的深入開展。2. 尋找變量及其變化情況在這個(gè)重復(fù)性運(yùn)動(dòng)過(guò)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(lái)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(chǔ)-O變大變小v 長(zhǎng) h 消O-B變小變大v 消 h 長(zhǎng)B-O變大變小v 長(zhǎng) h 消O-A變小變大v 消 h 長(zhǎng)3.尋找 “消 ”與 “長(zhǎng) ”的組合變量從上表中我們發(fā)現(xiàn)，速度 v 和高度 h 在運(yùn)動(dòng)中是不斷變化的，而且在變化中有著 “此消彼長(zhǎng) ”的關(guān)系，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， “此消彼長(zhǎng) ”是存在守恒量的必要條件。4. 消“”與“長(zhǎng)”組合中變量大小的比較存在 “此消彼長(zhǎng) ”的變量就一定存在守恒量嗎？這就需要對(duì)存在守恒量的充分條件進(jìn)一步探討。也就是要對(duì) “消”與“長(zhǎng) ”的變量的大小進(jìn)行比較，看看“消”的量

7、與“長(zhǎng)”的量是否相等。由于高度的運(yùn)動(dòng)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(gè)量我們知道，通過(guò) “轉(zhuǎn)化 ”可以將不同的量轉(zhuǎn)化為同一量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可比。速度 v 與動(dòng)能相關(guān)，高度 h 與重力勢(shì)能相關(guān)，動(dòng)能和勢(shì)能都表示物體具有的能量，并且動(dòng)能和勢(shì)能具有相同的單位 , 可以相互轉(zhuǎn)化 .這樣，針對(duì) 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(zhǎng)過(guò)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(xué)的動(dòng)力學(xué)知識(shí)可知，物體在斜面上運(yùn)動(dòng)的

8、加速度為從 A 到達(dá)任意一點(diǎn)（該點(diǎn)離地面的高度為 h）的速度為v2ax2g sinh h2g( h h ) ，sin所以該點(diǎn)的機(jī)械能 E1 mv2mgh mgh ，即機(jī)械能保持不變。 說(shuō)明在小球動(dòng)2能的增加（或減少）與勢(shì)能的減少（或增加）過(guò)程中存在著守恒量 機(jī)械能。6.對(duì)守恒條件的分析與確認(rèn)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中實(shí)際觀察到小球滾動(dòng)上升的高度在逐漸減小，說(shuō)明小球的機(jī)械能是不守恒的，這又說(shuō)明了什么？進(jìn)一步分析可知，在追尋守恒量時(shí)必須關(guān)注相應(yīng)的“守恒條件 ”。本實(shí)驗(yàn)中客觀存在的摩擦阻力導(dǎo)致了機(jī)械能不守恒。物理量的守恒，無(wú)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(shí)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(dá)式（守恒定律）在小球來(lái)回周期性運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，任意兩個(gè)狀態(tài)的機(jī)械能是不變的，寫成數(shù)學(xué)表達(dá)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(duì)上述尋找守恒量的過(guò)程還可以進(jìn)行拓展 （物理學(xué)史上成功案例） ，讓學(xué)生課后去體驗(yàn)領(lǐng)悟。1666 年，剛成立不久的英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，在其例會(huì)上表演了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把兩個(gè)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(shí)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?cái)[動(dòng)，再次跟 A 球相撞，這時(shí) B 球立即停下， A 球向左擺去 如此往復(fù)。當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家對(duì)這一現(xiàn)象感到困惑不解。 1668 年，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)懸賞征求解答， 結(jié)果有三人應(yīng)征獲獎(jiǎng)， 其中對(duì)這一問(wèn)題做出完整分析的是荷蘭物理學(xué)家惠更斯，因此圖 2發(fā)現(xiàn)了動(dòng)量守恒規(guī)律。三、追尋守恒量的核心價(jià)值1.確立守恒量的定量表達(dá)式 守恒定律守恒是指在事物的發(fā)展變化過(guò)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?cè)诳茖W(xué)研究的過(guò)程中對(duì)自然本質(zhì)的一種認(rèn)識(shí)，一種反映形式。守恒的特點(diǎn)是：( 1) 過(guò)程中有變化 ; ( 2) 變化中有不變量。這種特點(diǎn)說(shuō)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(xué)表達(dá)式將守恒關(guān)系表示出來(lái)為： x1=x2 這就是守恒定律。守恒定律是力學(xué)真理，有了它，人們對(duì)運(yùn)動(dòng)著的客觀事物有了更深的認(rèn)識(shí)。2.樹立守恒的思想古希臘偉大的哲學(xué)家柏拉圖在 2300 多年前說(shuō)過(guò)： “真正愛(ài)好知識(shí)的人永遠(yuǎn)追求實(shí)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(yùn)藏于自然界色彩繽紛的表面現(xiàn)象之中的某種 “實(shí)在 ”。守恒思想最早是從物質(zhì)不滅、運(yùn)動(dòng)永恒上開始萌芽的。我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的一個(gè)重要學(xué)派 墨家所著的墨經(jīng)中已含有樸素的物質(zhì)不滅和運(yùn)動(dòng)守恒思想。 到了宋、元時(shí)代，我國(guó)的科學(xué)文化

12、繁榮，對(duì)物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)也有了更加深入地認(rèn)識(shí)，如王夫之曾明確地指出，運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。通過(guò)追尋守恒量的教學(xué), 要使學(xué)生領(lǐng)會(huì)尋找守恒量是科學(xué)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(diǎn) ;使學(xué)生認(rèn)識(shí)到能量守恒的普遍性 , 從而認(rèn)識(shí)到能量守恒的社會(huì)價(jià)值 .如果知識(shí)的背后沒(méi)有方法，知識(shí)只能是一種沉重的負(fù)擔(dān)；如果方法的背后沒(méi)有思想，方法只不過(guò)是笨拙的工具。知識(shí)、思想方法和能力是物理教學(xué)的三大要素，思想方法則是物理教學(xué)的精髓和靈魂。物理教學(xué)與其說(shuō)是傳授豐富而深?yuàn)W的物理知識(shí)， 倒不如說(shuō)是以物理知識(shí)為載體、用豐富的物理思想啟迪學(xué)生

13、的智慧，使學(xué)生變得更聰明、更睿智。3.傳播物理文化物理學(xué)是人類科學(xué)文化的重要組成部分，是研究物質(zhì)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然科學(xué)。古代哲學(xué)家、近現(xiàn)代物理學(xué)家和物理工作者，歷經(jīng)數(shù)千年逐步創(chuàng)造的物理知識(shí)體系、觀念形態(tài)、價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)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(duì)稱守恒美是美學(xué)文化的重要內(nèi)容之一，對(duì)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(guò)程中常常包含有某些對(duì)稱的性質(zhì)，對(duì)稱性質(zhì)實(shí)質(zhì)上是在某種變化下的不變性，德國(guó)數(shù)學(xué)家 Noether 給出了一個(gè)著名諾特定理：作用量的每一種對(duì)稱性都對(duì)應(yīng)一個(gè)守恒定律，有一個(gè)守恒量。物理定律的對(duì)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(shí)間平移對(duì)稱性對(duì)應(yīng)的是能量守恒； 相互作用的空間平移對(duì)稱性對(duì)應(yīng)的是動(dòng)量守恒， 相互作用的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性對(duì)應(yīng)的是角動(dòng)量守恒。實(shí)際上，對(duì)稱性已經(jīng)成為當(dāng)代物理學(xué)家研究物理理論的一種方法。著名物理學(xué)家楊振寧曾經(jīng)說(shuō)過(guò)： “物理學(xué)的原理有它的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)有它的美跟妙的地方，而各個(gè)物理學(xué)工作者對(duì)于這個(gè)結(jié)構(gòu)的不同的美跟妙的地方的感受，有不同的了解，因?yàn)榇蠹矣胁煌母惺?，所以每一個(gè)工作者會(huì)發(fā)展他自己獨(dú)特的研究方向跟研究方法，