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