高二物理新教材培訓(xùn)專題講義

1、高二物理新教材培訓(xùn)專題講義能量守恒與能量耗散能量守恒與能量耗散北京教育學(xué)院北京教育學(xué)院吳劍平吳劍平引言能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種量度，是人們認(rèn)識(shí)客觀世界的主要對(duì)象之一。19世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)的能量守恒定律表明能量是個(gè)守恒量，它可以由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。能量守恒定律深刻地揭示了各種形式能量的相互聯(lián)系和自然界的統(tǒng)一性，被恩格斯稱為偉大的運(yùn)動(dòng)基本定律，19世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一?！澳芰渴睾愣伞痹诟叨陆滩闹惺亲鳛锽類要求出現(xiàn)，其內(nèi)容雖變化不大，

2、但因教材新增加“熱力學(xué)第二定律”一節(jié)，而使整個(gè)能量單元教學(xué)大為改觀。為什么要在中學(xué)階段引入熱二律？這樣做對(duì)認(rèn)識(shí)“能量守恒定律”有什么好處？對(duì)改進(jìn)現(xiàn)有物理教學(xué)理念有何現(xiàn)實(shí)意義？此外，熱二律在大學(xué)物理也屬于教學(xué)難點(diǎn)，中學(xué)教師作為首次接觸，相對(duì)比較陌生。如何正確理解熱二律實(shí)質(zhì)與教材要求，怎樣按新課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)教案和實(shí)施教學(xué)？為解決上述問(wèn)題，本專題擬以熱一律和熱二律涉及的幾個(gè)基本問(wèn)題為主線，深入探討能量單元教學(xué)的知識(shí)背景，并在這個(gè)基礎(chǔ)上提出一些可

3、供教學(xué)使用的探究性案例。專題的最后附有兩個(gè)筆者專門設(shè)計(jì)的詳盡教案，希望能作為教師進(jìn)一步研討的素材。一、一、圍繞圍繞“能量守恒定律能量守恒定律”的幾個(gè)基本認(rèn)識(shí)問(wèn)題的幾個(gè)基本認(rèn)識(shí)問(wèn)題能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)以及能量概念的形成經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程，它是人類在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)自然界的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化長(zhǎng)期認(rèn)識(shí)的結(jié)果。從研究機(jī)械能守恒到得出廣義的能量守恒定律其間經(jīng)歷了大約一百五十年的孕育時(shí)期。如此漫長(zhǎng)的觀念形成過(guò)程，一方面為我們認(rèn)識(shí)能量守恒定律提供豐

4、富而堅(jiān)實(shí)的知識(shí)背景，另一方面也因沿襲歷史上一些習(xí)慣性稱謂而帶來(lái)某些理解上的困惑。下面我們力求以當(dāng)代物理學(xué)的視角，全面審視與能量守恒定律教學(xué)相關(guān)的一些概念內(nèi)涵。（一）能量守恒定律與（一）能量守恒定律與“熱一律熱一律”的差異的差異一般物理教科書總是在給出“熱一律”后，直接推廣到能量守恒定律。盡管后者在具體的定量表述中與熱一律等價(jià)，有些教科書也常把兩者直接等同。一般而言，把熱現(xiàn)象規(guī)律視為普適規(guī)律并無(wú)大錯(cuò)，但細(xì)究起來(lái)，兩者之間還是有些微差異，這

5、些差異更多地體現(xiàn)在相對(duì)論與量子力學(xué)有關(guān)能量?jī)?nèi)涵的揭示上。1.熱一律與能量守恒定律之所以具有等效性，在于：（1）幾乎所有真實(shí)的宏觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或事件演化都涉及不可逆過(guò)程，因而它們都必然直接或間接與熱現(xiàn)象有關(guān)，這與能量對(duì)一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量的描述在普適上是一致的；（2）兩者都從能量傳遞與轉(zhuǎn)換特定的可測(cè)量角度，表述系統(tǒng)內(nèi)能變化與過(guò)程中被轉(zhuǎn)移的能量的關(guān)系，即△U=QW，這就抹平了一般性系統(tǒng)與作為熱學(xué)系統(tǒng)的固有能量表述的差異。教學(xué)目標(biāo)：了解熱一律與熱二律

6、的知識(shí)背景，知道與能量教學(xué)有關(guān)的基本物理觀念和方法；初步掌握熱二律兩種表述的形成途徑及教學(xué)展示方法；熟悉熱一律與熱二律知識(shí)的跨學(xué)科應(yīng)用的一些典型案例，樹(shù)立正確的能源價(jià)值觀。教學(xué)內(nèi)容：（1）圍繞“能量守恒定律”的幾個(gè)基本認(rèn)識(shí)問(wèn)題；（2）熱二律引發(fā)的深層思考；（3）“熱二律”一節(jié)的教材分析與教學(xué)建議。教學(xué)時(shí)數(shù)：8課時(shí)教學(xué)手段：以講授為主的課堂專題討論，全部采用多媒體教學(xué)。電場(chǎng)能量：dvWeED21?????磁場(chǎng)能量：dvWmHB21????

7、??延伸分布的“廣延場(chǎng)”，由于其總能量和總質(zhì)量不可能確定，因此質(zhì)能關(guān)系式將由能流密度S與動(dòng)量密度g的關(guān)系替代：S=gc2?！驹u(píng)析評(píng)析】①定量定義的能量值，是系統(tǒng)在一定參考系內(nèi)各種運(yùn)動(dòng)形式能量之和，與定性定義一致。②雖然能量值有一定的相對(duì)性(如v與參考系選擇有關(guān))，但能量的變化△E卻與參考系選擇無(wú)關(guān)。而有實(shí)際研究意義的恰是△E，因此定量確定△E，也就給出了能量的定量定義。（3）“能量是物體做功的本領(lǐng)能量是物體做功的本領(lǐng)”說(shuō)法釋疑說(shuō)法釋疑中

8、學(xué)教材中經(jīng)常提到“能量是物體做功的本領(lǐng)”，這固然有助于從直觀理解能量概念，而且在經(jīng)典物理學(xué)中也是先定義機(jī)械功，然后把系統(tǒng)能量增量△E在定量上用一等效機(jī)械功來(lái)量度，并以此作為能量增量△E的定量定義定量定義。但將其視為定性定義定性定義值得考慮，其不妥之處在于它違反熱一律和熱二律。下面可做一簡(jiǎn)單的分析：?根據(jù)熱一律，孤立系統(tǒng)能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，量值守恒。但根據(jù)熱二律，由于功熱轉(zhuǎn)換的不可逆性，其內(nèi)能(熱能)在不斷地增加，而作功的本領(lǐng)卻在不斷耗散減

9、小。系統(tǒng)某一時(shí)刻作功本領(lǐng)的大小，取決于此時(shí)系統(tǒng)的有序程度，而在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，所對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)形式的有序程度在不斷減小，即作功本領(lǐng)在減弱，這就是所謂“能量品質(zhì)退化”的問(wèn)題。因此，以作功本領(lǐng)去度量能量，必然導(dǎo)致系統(tǒng)的能量在逐漸減少而不守恒，與熱一律相矛盾。?這一說(shuō)法的不妥之處還表現(xiàn)在：定義不夠全面。如果以“本領(lǐng)”去定義能量，則能量不僅可以作功，也可以熱傳遞（有熱傳遞本領(lǐng)）。其次，定義沒(méi)有直接揭露能量所體現(xiàn)的系統(tǒng)本身運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱這一物理實(shí)質(zhì)。2熱傳遞與作

10、功熱傳遞與作功在能量預(yù)先“定義”后，接著就要明確系統(tǒng)與外界相互作用的兩種方式，這里系統(tǒng)主要指有確定質(zhì)量的封閉系統(tǒng)。所謂“熱傳遞”指：系統(tǒng)與外界僅僅有熱運(yùn)動(dòng)能量的交換而產(chǎn)生的相互作用方式。系統(tǒng)與外界僅僅有熱運(yùn)動(dòng)能量的交換而產(chǎn)生的相互作用方式。所謂“作功”指：除熱傳遞外，系統(tǒng)與外界的一切相互作用方式。除熱傳遞外，系統(tǒng)與外界的一切相互作用方式。這兩種相互作用方式以是否有宏觀(廣義)位移區(qū)分。所以從表觀上，能引起系統(tǒng)能量變化有宏觀（作功）和微觀

11、（熱傳遞）兩種形式。3功功(1)定性：功是系統(tǒng)與外界有(廣義)功的相互作用過(guò)程時(shí)，系統(tǒng)能量變化的量度。(2)定量：從“力的表象”看，大家是很熟悉的，即“功為廣義力與廣義位移的乘積，它是標(biāo)量”。而從“能量表象”去看，功的物理意義明顯。即功是在僅有作(廣義)功的過(guò)程發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能量變化的大小。其值滿足W＝△E=E末－E初由上述定義，功是一個(gè)含正、負(fù)號(hào)反映作功過(guò)程的標(biāo)量。由于作功必伴隨宏觀(廣義)位移，故對(duì)“功”的定義，只給出宏觀定義已足夠了

12、。4熱學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能熱學(xué)系統(tǒng)內(nèi)能(1)定性：內(nèi)能是不考慮系統(tǒng)的外部能量?jī)?nèi)能是不考慮系統(tǒng)的外部能量(指系統(tǒng)整體的機(jī)械能指系統(tǒng)整體的機(jī)械能)時(shí)，系統(tǒng)所具有的能量，它是系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)所具有的能量，它是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)。的單值函數(shù)。因此，形象地說(shuō)內(nèi)能是系統(tǒng)的“內(nèi)部”能量。(2)定量：①系統(tǒng)內(nèi)能就是物質(zhì)系統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)能就是物質(zhì)系統(tǒng)的“靜止能量靜止能量”。即。即U=E0=M0c2。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)M0并不等于全部粒子的靜止質(zhì)量之和，而是等于各個(gè)粒子與熱運(yùn)動(dòng)速