机械能教学的原则与灵活性--基于向量概念与表征的师生课堂对话的几点思考_弹性势能论文

《机械能》教学中的原则性与灵活性——结合“向量的概念及表示”，谈课堂师生对话的几点思考，本文主要内容关键词为：机械能论文,向量论文,原则性论文,灵活性论文,师生论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

把教材内容进行二次创造，避免照本宣科，是教师备课中努力追求的目标。在《机械能》的教学中，如何处理好“原则性与灵活性”的关系，使深奥变为通俗，复杂变为简单，从而降低教学难度，提高课堂教学效率。笔者在教学实践中，用“五个简化”方案，取得了较好的教学效果。

一、对势能属于谁的简化

原则上“势能属于系统”，但表述不简洁，也不能突出谁是“势能变化显著者”。习惯上叫做“物体的重力势能和弹簧的弹性势能”，这种说法已被广泛认同。

重力势能属于地球和物体组成的系统，重力势能公式，重力势能的变化体现在物体的“高度变化”上，而地球总是“不动”的，用“物体的重力势能”说法更有现实意义。

弹性势能属于相互接触发生弹性形变的两物体系统整体，如果两物体之间用弹簧连接，弹性势能，涉及的物理量明显都是弹簧的，所以简称为“弹簧的弹性势能”。

如果系统中的两物体运动状态变化都很显著，这时势能所属于的系统不能简化，需要明确指出。如“两球碰撞时系统的弹性势能”，“宇宙中双星系统的引力势能”，“两分子之间的分子势能”，“两带电小球之间的电势能”等。

二、对零势点选择的简化

原则上“可任意选择零势点位置”，但计算会有负值或书写不简洁。实用中选取运动过程“最低点”为重力势能零点，选弹簧“原长处”为弹性势能零点，这时重力势能和弹性势能都为正值，计算更方便。

物体重力势能的相对性与弹簧弹性势能的相对性有不同之处。重力势能是“相对零势点的高度”单向变化，即“一值一态”。而弹簧的弹性势能是“相对原长的形变量”双向变化，有拉伸和压缩两种弹性形变，即“一值两态”，相对原长处具有对称性（对于密绕的弹簧只有拉伸状态）。弹性势能大小与弹性形变大小有紧密关系，没有弹性形变就一定没有弹性势能，所以在原长处无弹性势能。

三、对机械能守恒条件的简化

原则上“只有重力和弹簧弹力做功”是机械能守恒的条件，但这种表述无法包含一切可能情况。有人做过统计，恢复高考以来，高中物理教材有七种不同的版本，每一种版本中的说法都不同，由于客观现实的复杂性，很难找到“一言以概之”的完美说法，这里就不再赘述。

新教材用“只有重力和弹力做功”作为“代表说法”，不求包罗万象的完美说法。另外，初中教材中还不用“做功条件”表述，而用“能量形式”表述，“只有动能和势能的相互转化，机械能的总和保持不变，叫做机械能守恒定律”，也体现了教材编写者处理这一问题的灵活性。

因此，笔者认为把“做功条件”和“能量形式”结合起来分析是最好的选择。

四、对机械能守恒方程的简化

原则上“写成始末能量相等形式”，但要选取零势点的位置，可能出现重力势能的负值，且等式两边会含有相同不变的势能值。零势点的选取不同，同一位置的势能值也不同，但某两个位置的势能大小之差不变。实用中更多“写成能量改变量形式”，就可以不选取零势点，回避负号以及等式两边重复计算势能。

如下页图1所示，已知A、B两球的质量为和，从静止开始释放后，求B球下降高度h时，两球的速度大小v。

根据机械能守恒定律，设A、B两球开始时离地面高度为和，取地面为零势面（点），写成始末关系式为

显然这样写简洁得多，避免了重力势能的不变部分在等式两边重复计算。

在教学过程中，学生刚学完机械能守恒定律之后，再回头复习动能定理解题时，列出的方程常常是动能定理与机械能守恒定律的“混血儿”形式，方程式的左边写了重力做功，右边又重复写了重力势能。这种现象在教育心理学上称为“后摄抑制”，需要强化理解“某种形式的能量变化只能对应某种力做功”。根据教材把合力做功与动能的关系叫做“动能定理”，笔者又把重力做功与重力势能的关系叫做“重力势能定理”，弹簧弹力做功与弹性势能的关系叫做“弹性势能定理”，其他力做功与机械能的关系叫做“机械能定理”。这种类比记忆收效明显，同时把“其他力做功为零时，机械能的增量为零”，作为机械能守恒定律的另一种表述，进一步加深了物理规律的理解和联系。