趙興芳 張樹(shù)東
摘 ? 要:以“焦耳定律”教學(xué)設(shè)計(jì)為例,基于物理觀念導(dǎo)向,闡述了在物理教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等要素。
關(guān)鍵詞:核心素養(yǎng);物理觀念;焦耳定律
中圖分類(lèi)號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ?文章編號(hào):1003-6148(2019)5-0028-5
1 ? 依據(jù)和背景
《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》課程目標(biāo)中明確提出:高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展;學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科教書(shū)育人價(jià)值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐漸形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。其中,物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí),是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華,是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)。
關(guān)于“觀念”一詞,《辭海》中的解釋為“看法、思想;思維活動(dòng)的結(jié)果;譯自希臘語(yǔ)idea,通常指思想。有時(shí)亦指表象或客觀事物在人腦中留下的概括的形象”。百度文庫(kù)給出的解釋為“宏觀層面觀點(diǎn)、信念;個(gè)人理想、道德、品質(zhì)”。物理觀念是物理學(xué)家經(jīng)歷長(zhǎng)期的實(shí)踐和理論研究,然后概括總結(jié)出的對(duì)物理世界的根本認(rèn)識(shí)。這種認(rèn)識(shí)指導(dǎo)人們解釋不同的現(xiàn)象并預(yù)言其發(fā)展規(guī)律。物理觀念隨著物理科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展。宋心琦曾就教學(xué)中化學(xué)觀念的培養(yǎng)深刻地指出,使“學(xué)生能牢固地、準(zhǔn)確地,哪怕只是定性地建立起基本的化學(xué)觀念,應(yīng)當(dāng)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的第一目標(biāo)。背誦或記憶某些具體的化學(xué)事實(shí)性知識(shí),當(dāng)然是有價(jià)值的,但是更重要的價(jià)值在于它們是化學(xué)觀念的載體”。這一觀點(diǎn)對(duì)物理觀念的培養(yǎng)一樣適用,即物理觀念的培養(yǎng)應(yīng)是物理教學(xué)的第一目標(biāo),其重要性毋庸置疑。
物理觀念是將思想、觀點(diǎn)、方法等抽象概括出來(lái)的觀念性認(rèn)識(shí),是物理學(xué)科的研究對(duì)象、過(guò)程、方法、結(jié)果在學(xué)生頭腦中整體的概括和反應(yīng)。物理基本觀念的形成既不可能是空中樓閣,也不可能通過(guò)記憶大量物理知識(shí)自發(fā)形成,而是需要學(xué)生積極主動(dòng)地進(jìn)行探究活動(dòng),并從中深刻理解和掌握有關(guān)的物理知識(shí)和核心概念,理解應(yīng)用知識(shí),并不斷反思、概括、提煉而成。中學(xué)物理課程中的核心概念及其所涵蓋的具體知識(shí),充實(shí)和發(fā)展著物理基本觀念的內(nèi)涵,是形成物理基本觀念的基礎(chǔ)和源泉。
2 ? ?教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐
在課堂教學(xué)過(guò)程中,讓學(xué)生通過(guò)對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)、反思和運(yùn)用之后形成對(duì)物理觀念的建構(gòu),因此制定恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計(jì)是極其重要的。在“焦耳定律”的教學(xué)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)電功、內(nèi)能、熱量等物理核心概念以及能量守恒定律的理解不清晰;對(duì)相異概念轉(zhuǎn)化為科學(xué)概念過(guò)程存在困難,導(dǎo)致對(duì)物理概念和規(guī)律進(jìn)一步理解、運(yùn)用產(chǎn)生一定的困難。
2.1 ? ?教材分析
“焦耳定律”是人教版高中二年級(jí)第二章第5節(jié)《焦耳定律》中的內(nèi)容,也是該章的重點(diǎn)。能量守恒定律是物理的基本定律,“焦耳定律”正是通過(guò)電能和導(dǎo)體內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)換來(lái)體現(xiàn)能量守恒定律,是有關(guān)“守恒定律”這一重要物理觀念培養(yǎng)的典型事例。教材在電功、電功率之后安排焦耳定律,符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。該節(jié)由“電功和電功率”“焦耳定律”兩部分組成,研究電熱與電阻、電流和通電時(shí)間三者之間的定性關(guān)系。因?yàn)殛P(guān)聯(lián)多個(gè)物理量,又涉及能量轉(zhuǎn)換,而能量本身又比較抽象,所以對(duì)“焦耳定律”的理解和掌握以及后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。教學(xué)中,增加學(xué)生對(duì)做功和能量轉(zhuǎn)換直觀感受的關(guān)鍵是完成實(shí)驗(yàn)及分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。盡管電學(xué)知識(shí)與人們的生活密切相關(guān),但相對(duì)可以視覺(jué)感受的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而言,人們潛意識(shí)中還是存在某些對(duì)電的畏懼感;在教學(xué)中的表現(xiàn)為學(xué)生普遍對(duì)電有疏遠(yuǎn)感或“談電色變”。
2.2 ? ?學(xué)情分析
“焦耳定律”內(nèi)容的學(xué)習(xí)面對(duì)的是高中二年級(jí)的學(xué)生。此階段學(xué)生處于認(rèn)知和能力高度發(fā)展階段,觀察力、思維力、理解力、想象力等能力處于高速發(fā)展階段;同時(shí),學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)不斷加強(qiáng),學(xué)習(xí)興趣等各方面都逐步提高,是形成正確、牢固物理觀念的關(guān)鍵期。在初中階段,學(xué)生已經(jīng)了解過(guò)焦耳定律的相關(guān)內(nèi)容,因此,對(duì)此方面的知識(shí)并不陌生。
2.3 ? ?教學(xué)目標(biāo)及重點(diǎn)、難點(diǎn)
【教學(xué)目標(biāo)】
(1)理解電功、電功率,進(jìn)一步探究焦耳定律的原理、理解焦耳定律的內(nèi)容、明確焦耳定律的使用條件,能夠牢固且準(zhǔn)確地運(yùn)用焦耳定律,進(jìn)而形成能量守恒這一重要物理觀念。
(2)通過(guò)焦耳定律影響因素的分析,培養(yǎng)科學(xué)思維能力以及進(jìn)行科學(xué)推理、科學(xué)運(yùn)算、模型建構(gòu)等能力。
(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)探究,打破原有相異概念,使之轉(zhuǎn)換為科學(xué)概念。形成正確的物理觀念,解釋生活中的相關(guān)現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)踐操作,培養(yǎng)動(dòng)手操作能力和動(dòng)腦思考能力以及運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力。
(4)培養(yǎng)批判精神、創(chuàng)新精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任,形成對(duì)科學(xué)本質(zhì)的正確認(rèn)識(shí)。
【教學(xué)重點(diǎn)】
明確焦耳定律的適用條件以及電功、電能、內(nèi)能之間的邏輯關(guān)系,分清電流做功與對(duì)應(yīng)電器元件的能量變化的區(qū)別與聯(lián)系,掌握純電阻電路和非純電阻電路中焦耳熱的計(jì)算方法。
【教學(xué)難點(diǎn)】
運(yùn)用焦耳定律解釋生活中電器元件的熱效應(yīng)及遇到的簡(jiǎn)單熱學(xué)問(wèn)題。
3 ? ?教學(xué)過(guò)程
3.1 ? ?新課導(dǎo)入
物理源于生活,又應(yīng)用于生活。從柴薪取火到煤炭、石油、天然氣等能源的發(fā)現(xiàn),人類(lèi)對(duì)不斷增加的熱量需求及對(duì)新能源的探索從未停止過(guò)。電能是當(dāng)前接觸最多的能源,從日常生活中篩選出學(xué)生比較常見(jiàn)的家用電器元件(如白熾燈、日光燈、LED燈、電阻絲、電熨斗、有葉電風(fēng)扇等)導(dǎo)入新課。
教師:電流通過(guò)電器元件所做的功哪去了?
學(xué)生:轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?、熱能、機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能等。
教師:哪些器件是應(yīng)用電流的熱效應(yīng)工作的?熱效應(yīng)如何描述?
學(xué)生:白熾燈、電阻絲、電熨斗,熱效應(yīng)通過(guò)導(dǎo)體放出的熱量多少來(lái)描述。
教師:電流的功都能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能嗎?
學(xué)生:能。不能……
教師:到底什么是導(dǎo)體的內(nèi)能??jī)?nèi)能如何度量?
內(nèi)能對(duì)中學(xué)生而言是一個(gè)抽象的概念,而焦耳定律又恰是一個(gè)與內(nèi)能關(guān)聯(lián)的定律。為了形象地說(shuō)明內(nèi)能,我們拿一個(gè)盛水的水杯為例,如圖1所示。靜置在桌面的水杯有能量嗎?從宏觀尺度上看,水杯是靜止在桌面上,因而沒(méi)有明顯的動(dòng)能和勢(shì)能(選擇桌面為重力勢(shì)能零點(diǎn)位置);但從微觀尺度上看,水分子不斷地進(jìn)行隨機(jī)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)而具有動(dòng)能,同時(shí)分子間有力的作用而使分子具有勢(shì)能,正是這些微觀上的分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與勢(shì)能構(gòu)成了內(nèi)能。就焦耳定律涉及的導(dǎo)體而言,導(dǎo)體的內(nèi)能是描述構(gòu)成導(dǎo)體的微觀粒子動(dòng)能與勢(shì)能之和的物理量,內(nèi)能的大小可通過(guò)導(dǎo)體的溫度反映出來(lái),溫度越高,內(nèi)能越大。
電流做功使得導(dǎo)體的內(nèi)能增加,溫度升高;同時(shí)導(dǎo)體又以熱振動(dòng)和熱輻射的方式釋放內(nèi)能,溫度越高,熱振動(dòng)和熱輻射越強(qiáng)烈。在一定的電流強(qiáng)度下,導(dǎo)體最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,即電流對(duì)導(dǎo)體所做的功等于導(dǎo)體釋放的熱量,此時(shí)導(dǎo)體的內(nèi)能維持不變,溫度也保持不變。
教師:在導(dǎo)體達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后,電流對(duì)導(dǎo)體所做的功與導(dǎo)體釋放的熱量之間是怎樣的關(guān)系呢?與哪些物理量有關(guān)?
學(xué)生:導(dǎo)體釋放的熱量與電流強(qiáng)度、電阻、時(shí)間等有關(guān)。
教師:導(dǎo)體釋放的熱量不可以直接測(cè)量。根據(jù)已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí),熱量可以通過(guò)導(dǎo)體的溫度間接反映出來(lái)。那么,在探究多個(gè)因素對(duì)同一物理量的影響時(shí),我們一般采取的是什么方法?
學(xué)生:控制變量法。
教師:請(qǐng)同學(xué)們思考下,要想測(cè)量加熱一段時(shí)間后電阻溫度變化的數(shù)據(jù)并且能對(duì)比鮮明,應(yīng)當(dāng)怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路并驗(yàn)證猜想。
3.2 ? ?實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié):探究熱量與電流、電阻、時(shí)間的關(guān)系
【實(shí)驗(yàn)教具】
定值電阻R1、R2、R3(阻值分別為5 Ω、10 Ω、10 Ω的電阻絲),電流表,滑動(dòng)變阻器,開(kāi)關(guān),直流電源,溫度傳感器,燒杯,色拉油,數(shù)據(jù)采集器,DIS輔助軟件,電腦等。
【實(shí)驗(yàn)電路】
實(shí)驗(yàn)電路連線如圖2所示。不同阻值的R1和R3串聯(lián),用于探究相同電流下不同電阻對(duì)熱量的影響;相同阻值的R2和R3并聯(lián),用于探究相同電阻下不同電流對(duì)熱量的影響?;瑒?dòng)變阻器用于調(diào)節(jié)總電流,直流電源提供總電能。三個(gè)定值電阻分別放置在裝有等量同種色拉油的燒杯中,每個(gè)燒杯中插有一個(gè)溫度傳感器。當(dāng)電流通過(guò)電阻時(shí),導(dǎo)致電阻內(nèi)能增加,溫度升高,電阻輻射的熱能引起色拉油的溫度升高。因?yàn)殡娮璧捏w積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于色拉油的體積,故可近似直接用色拉油溫度的變化間接反映電阻所釋放的熱量。考慮到電阻在色拉油中是產(chǎn)生熱量的源泉,油中存在一定的溫度梯度,為了使燒杯中的油盡可能處于同一溫度,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要不斷用玻璃棒進(jìn)行攪拌。
將三個(gè)溫度傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集接口盒與電腦連接,電腦中安裝有DIS數(shù)據(jù)采集軟件,啟動(dòng)軟件,開(kāi)始探究實(shí)驗(yàn)。
【數(shù)據(jù)采集】
啟動(dòng)DIS數(shù)據(jù)采集軟件,選擇好數(shù)據(jù)采集的時(shí)長(zhǎng)和采集頻率等參數(shù)。接通電路后,電阻絲開(kāi)始加熱色拉油。點(diǎn)擊“記錄開(kāi)始”按鈕,三個(gè)燒杯中的溫度數(shù)據(jù)以列表的形式出現(xiàn)。停止采集后,保存三個(gè)傳感器的溫度隨時(shí)間變化的數(shù)值,為后續(xù)的數(shù)值分析做好準(zhǔn)備,數(shù)據(jù)采集界面如圖3所示。
【數(shù)據(jù)分析】
(1)定值電阻R1、R2、R3產(chǎn)生的油溫隨時(shí)間的變化
由圖2的電路可知,I2>I1,所以R2產(chǎn)生的溫度應(yīng)該最高,其次為R3,最低為R1。圖4是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的三個(gè)電阻產(chǎn)生的油溫隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度特征與電路分析的結(jié)果完全一致。但電阻產(chǎn)生的熱量需要由油的熱容量變化來(lái)反映,而熱容量的變化直接由溫度的變化來(lái)描述,故需要分析溫差隨時(shí)間的變化。
(2)三個(gè)燒杯中溫差隨時(shí)間的變化
因?yàn)槭窃陔娮杓訜嵋欢螘r(shí)間以后開(kāi)始采集記錄溫度數(shù)據(jù)的,因而三個(gè)電阻產(chǎn)生的溫度在計(jì)時(shí)起點(diǎn)的溫度是不同的。如圖4中,R1、R2、R3對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)起點(diǎn)的溫度初始值分別為T(mén)10(R1)=28.6 ℃,T20(R2)=44.8 ℃和T30(R3)=33.8 ℃。以這三個(gè)初始值為參照,由圖4的溫度變化數(shù)值,可知三個(gè)燒杯中油溫溫差隨時(shí)間的變化,結(jié)果如圖5所示。
(3)探究熱量與電流、電阻的關(guān)系
根據(jù)色拉油的比熱容C、質(zhì)量m和溫差ΔT,可計(jì)算出增加的熱量為Q=CmΔT。
由圖2的電路圖可知,R1和R3串聯(lián),流經(jīng)的電流I1相同,產(chǎn)生的熱量之比為Q3/Q1=ΔT3/ΔT1,圖6給出了ΔT3/ΔT1隨時(shí)間的變化,除了計(jì)時(shí)起點(diǎn)處由于ΔT值小而引起明顯起伏偏差外,在500 s以后該溫差比值基本呈直線狀,且非常接近數(shù)值2,并且R3與R1的電阻阻值比值為2。這說(shuō)明,除去測(cè)量以及能量耗散等系統(tǒng)誤差,R3和R1產(chǎn)生的熱量與電阻的阻值成正比,即Q∝R。
同樣,由圖2的電路圖可知,R2和R3并聯(lián),流經(jīng)它們的電流分別為I2和I1,且其比值為I2/I1=(R1+R3)/R2=1.5,R2和R3產(chǎn)生的熱量之比為Q2/Q3=ΔT2/ΔT3。圖7給出ΔT2/ΔT3隨時(shí)間的變化,除了計(jì)時(shí)起點(diǎn)有明顯起伏外,在500 s以后也呈現(xiàn)出直線狀,且接近數(shù)值2.25(圖中虛線位置),該值與流經(jīng)R2和R3的電流比值(I2/I1)的平方一致,即(I2/I1)2=1.52=2.25。這說(shuō)明,除去測(cè)量誤差,R2和R3產(chǎn)生的熱量與流經(jīng)的電流平方成正比,即Q∝I2。
【焦耳定律】
由上面的實(shí)驗(yàn)探究得出:電阻產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比,與電阻阻值成正比,這一結(jié)果正是焦耳通過(guò)嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出的結(jié)論,即焦耳定律:
Q=I2Rt
其單位為焦耳(J),適用于純電阻電路中導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量,也叫電熱。單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱量稱(chēng)為熱功率,即電能轉(zhuǎn)化為熱能的功率。
3.3 ? ?焦耳定律的應(yīng)用
3.3.1 ? ?純電阻電路焦耳定律的應(yīng)用
回顧上課之初的問(wèn)題,解釋白熾燈、電爐絲、有葉電風(fēng)扇的工作原理。當(dāng)白熾燈中鎢絲的電流增大到一定程度,開(kāi)始發(fā)光,這是否意味著存在電能直接轉(zhuǎn)化為光能呢?鎢絲還能看作純電阻嗎?
實(shí)際上這是個(gè)誤解。當(dāng)電流經(jīng)過(guò)白熾燈的鎢絲時(shí),電流做功,將電能轉(zhuǎn)化為鎢絲的內(nèi)能,該內(nèi)能包括鎢金屬晶格中原子的振動(dòng)及電子的激發(fā)等。被激發(fā)的原子振動(dòng)及處于激發(fā)態(tài)的電子必定會(huì)退激發(fā),其中有很少的一部分是以可見(jiàn)光輻射的形式發(fā)生的,這部分內(nèi)能即轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?,這也正是耐高溫的鎢絲用作照明材料的基本原理。其他部分的鎢絲內(nèi)能通過(guò)不可見(jiàn)的輻射(如,熱輻射)、與鎢絲周邊氣體的熱交換等形式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換??傊?,電能所做的功首先轉(zhuǎn)變?yōu)殒u絲的內(nèi)能,然后鎢絲的內(nèi)能再轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。所以,鎢絲可以看作是純電阻元件,歐姆定律和焦耳定律是適用的,即有R=U/I,Q=I2Rt。
小結(jié):人們制造電燈的目的是為了照明,即將電能轉(zhuǎn)換為光能,由于白熾燈是將電能轉(zhuǎn)換為導(dǎo)體的內(nèi)能,而由內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿男时容^低。隨著科技的進(jìn)步,出現(xiàn)了日光燈、LED燈等。日光燈、LED燈屬于非純電阻元件。同學(xué)們課下可以查閱資料,了解其發(fā)光原理,搜集照明工具的發(fā)展史等。
3.3.2 ? ?非純電阻電路焦耳定律的應(yīng)用
下面對(duì)有葉電風(fēng)扇的電能做功進(jìn)行分析。通電后,有葉電風(fēng)扇的葉片轉(zhuǎn)動(dòng),推動(dòng)葉片周?chē)目諝饬鲃?dòng)。為什么工作一段時(shí)間后關(guān)閉電風(fēng)扇,用手觸摸風(fēng)扇的電機(jī),會(huì)感到電機(jī)明顯發(fā)熱。這部分熱量該怎么計(jì)算,電能的去向如何?
4 ? ?教學(xué)反思
能量守恒與轉(zhuǎn)化定律是19世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一,也是物理觀念的重要體現(xiàn)。具有清晰、系統(tǒng)的物理觀念,就能從物理學(xué)的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象,就能靈活應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題,就能有效指導(dǎo)工作和生活實(shí)踐,這是新課標(biāo)課程評(píng)價(jià)中對(duì)物理觀念的要求。
在倡導(dǎo)大概念的背景下,在課程橫向和縱向不斷整合的今天,物理概念、規(guī)律的學(xué)習(xí)單靠機(jī)械記憶是不可取的。在學(xué)習(xí)每個(gè)經(jīng)典概念、規(guī)律的時(shí)候,打破學(xué)生原有相異概念,制造認(rèn)知沖突,引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并在逐漸探索的過(guò)程中形成物理觀念,這是首先要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)。隨著學(xué)生對(duì)概念、規(guī)律等的思考認(rèn)識(shí)不斷深入,學(xué)習(xí)的進(jìn)階不斷前行,學(xué)生的核心素養(yǎng)最終得以提高。
德國(guó)著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者馮·勞厄曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“教育所給予人們的無(wú)非是當(dāng)一切已學(xué)過(guò)的東西都忘記后所剩下來(lái)的東西?!彪S著時(shí)間的流逝,我們?cè)趯W(xué)校所學(xué)的大量學(xué)科知識(shí)都將逐漸淡化甚至遺忘,真正伴隨我們一生發(fā)展并持續(xù)發(fā)揮作用的不是具體的學(xué)科知識(shí),而是知識(shí)升華后留存在我們思想意識(shí)層面的東西,所指的應(yīng)該就是每個(gè)人具備的學(xué)科素養(yǎng)。
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(欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊)