张晓

一、能量守恒定律的概念进阶

对学生来说，能量守恒定律的学习主要有三个过程。

第一个过程是初中阶段，学生初步认识动能、势能，也简单了解化学能、太阳能等其它形式的能量，知道动能和势能之间可以相互转化，定性了解能量守恒，主要是机械能守恒，没有定量计算，也没有推理和论证。这是学生初步接触能量守恒，初步认识能量守恒，初步建立能量守恒的思想。

第二个过程是在高中物理必修2课程中，机械能部分，从功和能的角度论证了机械能守恒定律，涉及到了定量计算，与初中相比逻辑更严密，认识更深刻，在教科版和人教版的教材中，随后均安排了能量守恒定律的内容及能源的开发与利用等内容，进行了适度的拓展和加深。与初中内容相似，只是定量了，这就进了一大步。这时的学生对能量守恒的认识深刻了一些，也能用能量守恒定律分析和解决一些简单的问题，对第一类永动机不能实现的认识会更深刻一些。

第三个过程是高中物理选修3-3课程中，热力学定律与能量守恒部分，这个过程也是最重要的过程，是前面两个过程的深化与拓展，是学生形成正确而全面的能量守恒思想的关键，无论是人教版还是教科版，教材都安排了丰富的内容，主要是热力学定律，从内能与机械能转化的角度进一步说明了能量守恒，同时，还告诉我们两点，其一是能量转化是有方向性的，比如热量可以自发地从高温物体传给低温物体，而不能自发地从低温物体传给高温物体，在摩擦生热的过程中机械能可以很容易转化为内能，而内能不容易完全转化成机械能而不引起其它变化，这就是热力学第二定律;其二是能量是有品质的，电能的应用非常广泛，风能、水能是绿色无污染的能源，煤炭、石油是常规能源，污染比较严重，所以，尽管能量是守恒的，我们还一定要节约能源，为后人造福，强调可持续发展。这就要求學生要有辩证的思想、洞察一切的眼光，全面深刻认识能量守恒定律这一自然界的基本规律。

二、能量守恒定律的建立过程

（一）背景：各种类型的能量之间是可能相互转化的

（二）能量守恒定律的创立过程

主要有三个代表人物：

1.迈尔（1814-1878）

德国的医生，物理学家。迈尔从生理学的角度开始对能量进行研究，他从“无不生有，有不变无”的哲学观念出发，表达了对能量转化和守恒思想，他分析了25种能量的转化和守恒现象，成为世界上最先阐述能量守恒思想的人。

2.焦耳（1818-1889）

英国物理学家，焦耳对能量守恒的研究工作始于电流的热效应，1840年得到了焦耳定律，在此后30多年，先后做实验400多次，测得了大量数据，测出了热功当量的数值。这一结论为能量守恒定律建立了牢固的实验基础。

3.亥姆霍兹（1821-1894）

德国物理学家，1847年，在柏林物理学会议上，他分析了化学能、机械能、电磁能、光能等不同形式的能的转化和守恒，并且把结果跟永动机不可能制造成功联系起来，他认为不可能无中生有的创造一个永久的推动力，机器能能转化能量，不能创造和消灭能量。亥姆霍兹在论文里对能量守恒定律作了一个清晰、全面而且概括的论述，使这一定律为人们广泛接受。

三、能量守恒定律的验证

（一）实验探究

我们做过验证机械能守恒定律的实验，是通过自由落体运动过程中速度和位移的测量来验证机械能守恒，我们可以设置新的实验来验证能量守恒。

比如：如图所示实验装置，通过电流、电压、时间的测量，计算消耗的电能，通过水温的测量计算水吸收的热量，两者对比就可以得到能量守恒的结论。

（二）理论推导

对于机械能守恒，学生一般都能进行理论推导验证，我们还可以创设一些新的情景，运用我们学过的知识，通过理论论证能量是守恒的。

（三）永动机不能实现也是能量守恒定律的有力证据。可通过图片展示各种永动机模型，比如右图所示永动机模型，上面水槽中的水，从底部出水口流下时，冲击叶片，叶片带动水轮机，将下面水槽中的水抽到上面的水槽中，如此往复，永不停止。是这样的吗？不可能，叶片不可能带动水轮机将水抽到高处。看似有道理的各类永动机都是不能实现的。

还可以让学生观看网上传播的永动机视频，让学生明白一个道理，没有任何能量消耗，却源源不断地向外输出能量，这是绝不可能的，科学容不得半点虚假。

在实验探究、科学论证的基础上，我们完全有理由相信，在任何能量转化过程中，能量的总量一定保持不变，进行了合理的外推后，我们就得到能量守恒定律了。

四、能量守恒定律的拓展与加深

在这节课的最后，我会抛出一个问题：既然能量是守恒的，能量总量即不会凭空消灭，也不会凭空产生，为什么还会有“能源危机”呢？这个问题请大家课后思考讨论。

其实是想告诉学生，能量是有序的，不同形式能量的品质是不一样的，激发学生对后续学习的兴趣。