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高中物理教材引入“势能定理”的研究

【摘要】文章通过分析高中物理教材重力势能编写上的演变过程，发现教材始终没有将“重力做的功与重力势能的关系”上升为“势能定理”，并且教材对“重力做的功与重力势能的关系”的编写与阐释呈现弱化趋势。为此，研究者从三个层面分析了“势能定理”引入的必要性，包括物理概念与规律教学的要求，对称性物理思想的要求，机械能守恒定律教学的要求。同时得出启示，即物理教学研究要善于提出问题，物理教学要重视物理思想教育，物理教学要注重诠释物理学科本质。

【关键词】势能定理；重力势能；对称性；物理思想

现行人教版高中物理教材“重力势能”一节的编排主要分为四个部分，包括“重力做的功”“重力势能”“重力势能的相对性”“弹性势能”。在“重力势能”部分提出，重力做的功与重力势能的关系可以写为WG=Ep1-Ep2，其中Ep1表示物体在初位置的重力势能，Ep2表示物体在末位置的重力势能。“动能和动能定理”一节的编排分为两个部分，包括“动能的表达式”“动能定理”，在“动能定理”部分对动能定理进行了表述，表达式为W=Ek2-Ek1，物理意义为力在一个过程中对物体做的功，等于物体在这个过程中动能的变化。

通过比较上述两个关系式的表述发现，教材将WG=Ep1-Ep2描述为重力做的功与重力势能的关系，W=Ek2-Ek1则为动能定理。为此，本文对人教版高中物理教材进行纵向比较研究，分析教材“重力势能”内容编写的演变，论证将“重力做的功与重力势能的关系”上升为“势能定理”的必要性，以期对重力势能的教学有所启示。

一、高中物理教材“重力势能”编写的演变

人民教育出版社自1950年成立至2000年间，一共出版了10套高中物理教材［1］，进入21世纪，出版了3套高中物理教材。根据教材的广泛性与时代性，本文选取六个版本的教材进行分析，即1979年12月出版的《全日制十年制学校高中课本（试用本）·物理》；1983年11月出版的《高级中学课本（试用）·物理（甲种本）》；1983年12月出版的《高级中学课本（试用）·物理（乙种本）》；2006年11月出版的《全日制普通高级中学教科书·物理》；2010年4月出版的《普通高中课程标准实验教科书·物理》；2019年6月出版的《普通高中教科书·物理》。

前四个版本基于不同年代的教学大纲编写，按照出版时间先后顺序简称为大纲1版、大纲2版、大纲3版、大纲4版。后两个版本基于不同年代的课程标准编写，简称为课标1版、课标2版。六个版本的教材在“重力势能”部分的章节编排见表1。其中，大纲2版教材分为2节编排，其余五个版本教材的编排均为1节。

另外，六个版本的教材在“重力势能”部分的内容编排见表2。首先，六个版本的教材中均有WG=Ep1-Ep2（公式表示稍有不同），前五个版本的教材用黑体等方式加以强调，课标2版教材中未对关系式进行强调。然后，大纲1版、大纲2版、课标1版、课标2版均给出了公式的名称。对于关系式的名称，以上四个版本的教材在表述上有细微差异，但含义均为重力做的功与重力势能的关系。最后，六个版本的教材均对关系式进行了解释，但在重视程度上有所差异。大纲1版教材对关系式的解释用黑体字呈现；大纲2版教材把对关系式的解释作为该节的一部分呈现，用“重力做功与重力势能的变化”作为标题；大纲3版教材对关系式的解释用波浪线进行强调；大纲4版教材对关系式的解释用着重号进行强调；课标1版教材没有对关系式的解释进行强调；课标2版教材对关系式的解释字数明显变少，且没有加以强调。

由此不难发现，高中物理教材对关系式WG=Ep1-Ep2及其名称的解释呈现弱化趋势。根据物理概念与规律的教学要求，物理教学不能仅满足于得出定义或表达式，还应注意对概念与规律本质的阐释，包括内涵、外延、使用条件及其背后蕴含的物理思想和物理观念等，如此才能使学生真正理解物理概念与规律的本质。［2］因此，建議教材能够给WG=Ep1-Ep2一个明确的物理名称，使学生能够对WG=Ep1-Ep2有一个本质的理解，落实物理概念与规律的教学要求。

二、“势能定理”引入的必要性

有研究分析了WG=Ep1-Ep2在教学中的作用，也有研究将WG=Ep1-Ep2命名为“势能定理”。笔者通过对文献进行分析，发现已有研究主要分为三个阶段。第一阶段，将WG=Ep1-Ep2用来解释重力做功的特点。通过分析经过相同高度、不同路径的情况，重力做的功均为WG=mgh1-mgh2，从而得出重力做功与路径无关。［3］第二阶段，将WG=Ep1-Ep2用来分析重力做功与重力势能的关系，在分析功能关系中将该关系式解释为重力做功等于重力势能的减少量［4］，从而明确了重力做功与重力势能的关系。第三阶段，将WG