把握四個“兩” 突破靜電場教學中的難點

(南京市金陵中學，江蘇 南京 210005)

《靜電場》是高中電磁學的開篇，本章新概念多，概念間的關系比較復雜，同時突出了比值定義、類比等多種科學方法，對學生綜合運用知識的能力要求比較高，學生學習難度較大.因此，教師在教學中，需要幫助學生理清知識主線，突出兩個核心概念(E與U)、兩種幾何描述(“線”與“面”)、兩種運動類型(加速與偏轉)和兩種科學方法(比值與類比)，教學中把握這四個“兩”，帶領學生理解物理概念、掌握物理規律、體會科學方法.

1 兩個核心概念(E與U)

《靜電場》一章有很多新概念，如電場強度、電勢、電勢差、電勢能等，加上電場力、電場力做的功、電容器與電容等概念，學生初學時普遍感到難度較大.

在眾多新的概念中，本章的核心概念是電場強度與電勢，一個代表電場力的屬性，一個代表電場能的屬性.教學中除讓學生掌握每個概念的內涵外，還需要特別注意讓學生理解各個概念間的聯系.為幫助學生深入理解概念內涵并明確各個物理量之間的關系，筆者建立如下框圖(如圖1).

圖1

引導學生關注圖中坐標系：在x軸上方的是描述場力的性質的物理量，x軸下方的是描述場能的性質的物理量，在y軸左方的物理量是由場的屬性決定的、僅與場有關的物理量，y軸右方是與場和放入其中的帶電體都有關的物理量.在x軸上方的是矢量，在x軸下方的是標量.標號①-⑦分別提醒學生理解各物理量之間的關系.

2 兩種幾何描述(“線”與“面”)

愛因斯坦說“對于一個學物理的人來說，場就像椅子一樣客觀存在”.但對于這樣一個“客觀存在”，學生理解起來卻有一定的困難.電場線與等勢面則是幫助學生成為形成一個清晰概念圖景的重要手段.

教學的關鍵在于讓學生理解電場線與等勢面的意義.筆者教學中首先提出一個情景問題：太陽給你溫暖的感覺，你怎么描述出來？學生很自然的在太陽周圍作出一些線表示光線(如圖2)，這讓學生理解為什么要引入圖像的描述.

圖2

同時問學生為什么沒有人會畫成右邊圖那樣？讓學生理解電場線與我們畫的光線一樣表示電場的存在，但線的畫法要有一定的規則.等勢面的教學同樣如此.另外，教學中同時要讓學生掌握典型電場的電場線、等勢面分布，并能夠通過這些圖景解決一些問題.

3 兩種運動類型(加速與偏轉)

本章牽涉力與運動的問題較多，包括帶電體在電場力作用下的平衡問題與運動問題.教學中應首先幫助學生構建運動情景框圖(如圖3).

圖3

解決粒子在電場中的運動是靜電場中的力學問題，通常有三條途徑：(1)運用勻變速直線運動公式和牛頓定律；(2)運用動能定理和能量守恒定律；(3)運用動量定理和動量守恒定律.其中后兩種方法還適用于帶電粒子在非勻強電場中的運動及在電場中的圓周運動、機械振動等問題.

帶電粒子進入加速和偏轉電場中的運動是教學的重點.在教學中應讓學生充分展開討論，利用原有力學知識解決相關問題，發現規律.對于加速問題，可讓學生回答下述問題：(1)若粒子以速度v0從正極板小孔沿電場強度方向進入電場，則從負極板穿出時的速度v有多大？(2)若粒子以初速度v0從負極板小孔沿電場強度方向進入電場，粒子作什么運動？(3)如果不是勻強電場，能否用勻變速運動公式求出粒子達到負極板的速度，為什么？應該怎么辦？

對于偏轉問題，引導學生對照物體在重力場中的平拋運動,根據受力、加速度、飛行時間、側移距離、末速度v與初速度v0的夾角φ，結合例題，逐步推導出側移量y和夾角φ的表達式，并討論決定φ的因素.掌握側位移與初速度、側位移與初動量、側位移與初動能、側位移與加速電壓的關系.另外需要強調的重要結論是：帶電粒子沿兩極板等分平面進入板間勻強電場,經偏轉電場飛出時就好象是從電場中心射出來一樣，與帶電粒子、偏轉電壓及兩極板間距等因素均無關.

4 兩種科學方法(比值與類比)

《靜電場》一章教學注重三維目標的落實，引導學生體會比值定義、類比等科學方法，讓他們了解科學家的研究過程，學習科學方法.

(1)關于比值定義

場強、電勢、電容的定義都采用了比值定義的方法.教材特別強調了比值定義的含義，然而在學習中，很多同學對比值定義理解不夠，并提出了類似于“為什么a=Δv/Δt是比值定義，但a=F/m不是比值定義？”等問題，因此，教師在教學中要特別強調以下幾點：

①比值定義法是在定義一個物理量的時候采取比值的形式，這種定義方法往往適用于定義物質屬性或特征、物體運動特征.

②應用比值法定義物理量，往往需要一定的條件：間接反映概念屬性的兩個物理量是已經有明確定義并可以測量的，同時這兩個物理量的比值必須是一個與其無關的定值.

③不能將比值法的公式純粹的數學化.在建立物理概念時需明確概念表達的屬性，掌握物理過程，理解其物理內涵.在數學形式上用比例表示的式子，不一定就是比值.如公式a=F/m在數學形式上象比值，但不具備比值法的本質特點，因此不能稱為比值定義.

④對于比值法定義的概念，要理解定義的過程.以電場強度為例：學生需要理解引入一個新物理量的目的是什么(描述電場力的性質)？如何去進行研究？運用哪些方法(引入檢驗電荷，觀察其受力)？研究中有哪些主要的物理現象、事實和已知規律(根據庫侖定律計算檢驗電荷的受力)？通過研究得到怎樣的結論(場強大小與電場力與檢驗電荷的電量無關)？物理量的物理意義是什么(描述了電場本身力的屬性)？

(2)關于類比

康德說：“每當理智缺乏可靠論證的思路時，類比這個方法往往指引我們前進.”類比是通過聯想，把異常的、未知的事物(研究對象)跟尋常的、熟悉的事物(類比對象)對比，然后根據兩個對象之間存在的某種類似或相似的關系，從已知對象具有的某種性質推出未知對象具有相應的一種性質.本章在類比教學中，可通過以下內容進行：

①庫侖力與萬有引力的比較.它們有相類似的表達式，有相似的實驗方法，有相似的適用條件(真空中質點或點電荷)，有相似的作用(分別提供天體或微觀粒子的向心力).同時引導學生注意對于微觀的帶電粒子，萬有引力遠遠小于庫侖力，可忽略.

②電勢場與重力場的類比：比較兩個保守力相似的特性，相似的概念引入過程，物體在其中相似的受力與能量特征.

③電容概念的建立：電容概念的引入，可以用水容器儲水能力的大小類比儲電荷的電容器容納電荷本領的大小.對儲水的容器只有作出某一規定，如規定了水位每上升1cm所儲的水量多容器儲水能力就大，即可比較不同的容器儲水能力的大小；所以，我們如果規定電容器兩極間的電壓升高1V所需充的電量多的，其容納電荷的本領就大，就可以用電容器所帶的電量Q跟兩極間電壓U的比值，定義電容器的電容.

總之，在教學中把握靜電場教學的四個“兩”——兩個核心概念(E與U)；兩種幾何描述(“線”與“面”)；兩種運動類型(加速與偏轉)；兩種科學方法(比值與類比)，將有利于幫助學生深入的理解物理概念，清晰的構建知識體系，全面的提升科學素養.