Закон сохранения энергии в рамках школьного курса физики : Физика

Закон сохранения энергии в рамках школьного курса физики : Физика

Единственное, что мы по-настоящему знаем про энергию – это то, что она сохраняется.
Р.Фейнман

Школьный курс физики насыщен различными терминами, понятиями, определениями, формулировками. Но как это часто бывает – есть опасность «за деревьями не увидеть леса». Что является тем единственным, главным понятием физики, на котором базируется наука? Это, конечно, понятие «энергия». Дело в том, что энергия присутствует (порой неявно) буквально во всех разделах физики и имеет свойство сохраняться. Как сказал Р. Фейнман: «Существует факт, или, если угодно, закон, управляющий всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его – сохранение энергии». [1]

К сожалению, в современном школьном курсе физики закон сохранения энергии изучается фрагментарно, между прочими вопросами, и в результате у учеников энергия и закон сохранения энергии не становятся тем фундаментом, на котором могла бы сложиться стройная научная картина мира. В процессе подготовки данной статьи был проведен анализ того, как часто закон сохранения энергии используется для объяснения физических процессов и явлений в учебниках по физике для 7-9 класса [2, 3, 4], поскольку именно основная школа играет определяющую роль в становлении физического мировоззрения учащихся.

Таблица 1
Использование закона сохранения энергии
для объяснения физических процессов в основной школе (УМК Перышкин А.В., Гутник Е.М.)

Класс

Раздел

Тема

Примечание

7

Работа и мощность. Энергия

Энергия

Закон сохранения полной механической энергии

8

Тепловые явления

Внутренняя энергия

Превращение механической энергии во внутреннюю энергию

Теплообмен

Передача тепловой энергии от более нагретых тел к менее нагретым с учетом потерь (процесс описан, но закон не назван)

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Сформулирован закон сохранения полной механической энергии (не понятно, почему здесь?) и общий закон сохранения энергии (ЗСЭ)

Работа газа и пара при расширении

Процесс описан, но закон не назван

Электрические явления

Последовательное соединение

Зависимость для напряжения в цепи описана с точки зрения ЗСЭ

Конденсатор

Обсуждение энергии конденсатора опирается на ЗСЭ

9

Законы взаимодействия и движения тел

Вывод закона сохранения механической энергии

Обсуждается закон сохранения полной механической энергии (третий раз за три года!)

Механические колебания и волны. Звук

Виды колебаний

Говорится о потерях энергии и переходе ее в другие виды, но ЗСЭ не упоминается

Звуковой резонанс

Соотнесение громкости и длительности звука через ЗСЭ без объяснения.

Электромагнитное поле

Колебательный контур

Описание энергетического обмена между конденсатором и катушкой с помощью ЗСЭ

Происхождение линейчатых спектров

Описание с точки зрения ЗСЭ постулатов Бора и возникновения линейчатых спектров

Строение атома и атомного ядра

Энергия связи

Дается понятие энергии связи через ЗСЭ

Ядерный реактор

Описано преобразование энергии при использовании ядерного реактора без упоминания ЗСЭ

Исходя из приведенного анализа, можно сделать вывод – в 7 классе на изучение закона сохранения энергии отводится примерно 4% учебного времени, в 8 классе – 13%, в 9 классе – 12%. Для основного закона физики этого явно недостаточно. В рамках данной статьи рассмотрим возможность более широкого использования закона сохранения энергии для описания физических процессов в курсе физики основной школы.

Работа и мощность. Энергия

Движение тел в поле силы тяжести и силы упругости традиционно сопровождается рассмотрением закона сохранения полной механической энергии и его использованием для решения задач. Здесь хотелось бы предложить делать акцент на незамкнутую систему, в которой полная механическая энергия теряется, переходя в работу сил. Тем самым с одной стороны подчеркивается  более широкий смысл закона сохранения энергии, не локализуя его только для механической энергии, с другой стороны ученикам становится понятен общий физический смысл работы как изменения энергии. При этом логичнее изучать понятия «работа» и «мощность» после изучения энергии.

Простые механизмы.

При изучении темы «Простые механизмы», говоря о «золотом правиле» механики, объяснение того, почему простые механизмы не дают выигрыша в работе логичнее давать с точки зрения закона сохранения энергии, поскольку работа – это изменение энергии.  Тем самым решается не только узко физическая задача –  упоминания о законе сохранения энергии и работа с ним, но и мировоззренческая – о невозможности создания «вечного двигателя». И отсюда – логичным становится разговор о КПД простых механизмов и двигателей вообще, опять с опорой на закон сохранения энергии.

Механические колебания и волны

Понимание закона сохранения энергии позволит учащимся 9 класса проще усвоить виды механических колебаний: свободные, где в идеальной среде выполняется закон сохранения полной механической энергии; затухающие, где механическая энергия теряется на совершение работы против сил сопротивления; вынужденные, где потери энергии компенсируются работой внешних сил.

Тепловые явления

Тема «Тепловые явления» в основной школе – это, безусловно, повод говорить о законе сохранения энергии при изучении тепловых процессов. Начиная практически с первого и до последнего урока темы, мы имеем дело с законом сохранения энергии во всех изучаемых процессах. Особо нужно отметить, что при рассмотрении принципа действия теплового двигателя и его КПД невозможно обойтись без опоры на закон сохранения энергии, поскольку здесь напрямую происходит превращение внутренней энергии топлива в механическую работу с сопутствующими потерями.

Электрические явления

Вопреки традиционной практике, уже в основной школе в теме «Электрические явления» источник тока удобно описывать как устройство, создающее энергию для движения зарядов в проводниках, а понятие «напряжение» удобно вводить как величину, характеризующую эту энергию. Тогда становится понятно, почему мы рассматриваем напряжение как работу (то есть изменение энергии) по перемещению одиночного заряда. А также – почему объясняем соотношения для напряжения при последовательном и параллельном соединении через энергию. И логичным становится разговор о работе тока и законе Джоуля-Ленца как примерах выполнения закона сохранения энергии для электрических процессов и связи электрической энергии с тепловой энергией. Соответственно, изучение в старшей школе в рамках темы «Электрическое поле» вопроса об энергии электрического поля, введение понятия потенциала и напряжения будет опираться уже на ту базу, которая была заложена в основной школе. И понятие ЭДС полностью будет вписываться в рамки этой концепции и только дополнит энергетическую картину процессов, происходящих в электрической цепи.

Электромагнитное поле

Изучение темы «Электромагнитная индукция» – яркий пример возможности обсуждения закона сохранения энергии в электродинамике. Во-первых, само явление электромагнитной индукции, которое традиционно формулируется как возникновение индукционного тока под действием переменного магнитного поля. К сожалению, об энергетической причине данных процессов практически не упоминают, а ведь логично объяснять, что возникновение индукционного тока возникает благодаря изменению энергии внешнего магнитного поля: изменение энергии магнитного поля – совершение работы – движение зарядов. Налицо – закон сохранения энергии! И становится понятным, почему не возникает индукционный ток при неизменном внешнем поле – нет изменения энергии – нет процесса. Во-вторых, при обсуждении правила Ленца недостаточно объяснение сводить к направлению линий магнитной индукции и правилу буравчика. Здесь ведь процесс изменения направления индукционного тока при изменении направления внешнего магнитного поля тоже объясняется законом сохранения энергии.

Не будем останавливаться на энергетических процессах в колебательном контуре – они подробно изучаются в школьном курсе. Заметим только, что подобно рассмотрению механических колебаний, закон сохранения энергии позволяет рассмотреть затухающие и вынужденные электромагнитные колебания. А от рассмотрения превращения энергии при затухающих и вынужденных электромагнитных колебаниях – прямой путь к обсуждению энергетических преобразований в опыте Герца по получению электромагнитных волн. К сожалению, данная логика полностью нарушена в рассматриваемом в данной статье учебнике [4].

Рассмотренные в данной статье случаи приложения закона сохранения энергии к объяснению физических процессов дополняют уже существующие и увеличивают частоту обращения к этому фундаментальному закону практически в 2 раза. Это позволяет приблизиться к выстраиванию школьного курса физики на единой энергетической основе. (Конечно, таким путем мы не преодолеваем один существенный недостаток программы: ученики начинают знакомиться с понятием «энергия» лишь в конце 7 класса, что очень поздно. Решить эту проблему можно только кардинальным путем – изменением логики построения школьного курса физики вообще. Но это тема не этой статьи.)

Многолетний опыт работы с использованием подобного подхода к построению школьного физического курса подтверждает справедливость данного положения. Обсуждение энергетических превращений при описании физических процессов позволяет ученику от зазубривания правил перейти к пониманию физической природы изучаемых процессов и упростить решение целого ряда задач (особенно качественных). Это не может не сказаться на отношении к предмету вообще и к процессу получения физических знаний в частности.

Использованная литература

  1. Фейнмановские лекции по физике, выпуск 1, глава 4, изд. 3-е, 1977.
  2. Физика 7, учебник, А.В. Перышкин, М.: Дрофа 2014.
  3. Физика 8, учебник, А.В. Перышкин, М.: Дрофа 2014.
  4. Физика 9 учебник, А.В. Перышкин, Е.М. Гутник, М.: Дрофа 2014.
Читать еще:


Новые материалы:

Мастерская построения знаний по рассказу А.П. Чехова "Толстый и тонкий". 6-й класс :: Викторина "Своя игра" по творчеству А.П. Чехова :: Литературный праздник "Сказки Г.Х. Андерсена" :: Гуманистические идеи в литературе и живописи эпохи Возрождения :: Методика познавательных стилей в начальной школе :: Весь этот мир ( Everything, Everything ), 2017 :: Все товары/Дом и дача/Мебель/Мебель для спальни/Матрасы/Каталог/Матрасы и наматрасники/Матрасы/Матрасы с зависимым пружинным блоком / HomeMe / Bonnel Cocos 90x200 ::

Отзывы (через аккаунты в социальных сетях Вконтакте, Facebook или Google+):

Оставить отзыв с помощью аккаунта ВКонтакте:

Оставить отзыв с помощью аккаунта FaceBook:

Оставить отзыв с помощью аккаунта Google+:

Поддержите сайт - подпишитесь на канал в Яндекс.Дзене!

Самое популярное:
Состояние воздуха: Карта загрязнения воздуха онлайн, обновляется в режиме реального времени

Экологическая карта состояния воздуха, которым мы дышим. В режиме реального времени.

Звуко-буквенный разбор слов

Научить детей реально оперировать звуками, т.е. развивать фонетический слух.

Сценарий выпускного вечера "Школьное радио 3FM"

Научить детей реально оперировать звуками, т.е. развивать фонетический слух.

Урок: "Экскурсия — урок"

Урок по теме "Экскурсия в зимний лес". Приоритетное значение в деле воспитания любви к природе имеет непосредственное наблюдение в мире животных и растений. Лучше всего это делать во время проведения организационных экскурсий в лес, парк, к реке.

Детский оздоровительный лагерь: Муниципальное образовательное учреждение дополнительного образования детей "Детский оздоровительно-образовательный лагерь "Юность"

Урок по теме "Экскурсия в зимний лес". Приоритетное значение в деле воспитания любви к природе имеет непосредственное наблюдение в мире животных и растений. Лучше всего это делать во время проведения организационных экскурсий в лес, парк, к реке.

Девятая жизнь Луи Дракса (The 9th Life of Louis Drax, Великобритания, 2016) - спойлеры, пересказ, трактовка

Этот фильм заслуживает растаскивания на цитаты. "С возрастом я сам научился понимать, чего от меня хотят", "Мужчины всегда думают, что раз она красивая - значит, она хорошая" - и много другого. Вообще очень достоверный фильм в отношении психологических деталей. Рекомендую к просмотру.

Проблемы загрязнения окружающей среды

Работа приурочена к Году экологии в России и посвящена загрязнению окружающей среды.


Школьные занятия:
 
Контакты Научно-популярный портал "Познание - XXI век".
111672, г. Москва, ул. Новокосинская, д. 15, корп. 7.
Для связи E-mail: . poznanie21@yandex.ru
 
ADD