淺談靜電場概念教學方法

單華文

[摘 要] 利用控制變量法引入描述靜電場的物理概念和定義物理量。為什么要引入相關物理概念和物理量，為什么要這樣定義物理量？下面結合教學實踐進行分析探討。

[關鍵詞] 控制變量法 電場強度 電勢和電勢差

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674 6058（2016）17 0074

物理概念教學，必須讓學生知道為什么要引入這個概念和物理量，為什么要這樣定義物理量，只有清楚了這幾個為什么，學生才能真正理解相關概念和物理量的意義。

靜電場是高中物理電磁學的基礎，靜電場特點是看不見、摸不到、無氣味的，它的特性是對放入其中的檢驗電荷有力的作用。在電場中移動電荷，電場力會做功，電勢能改變，靜電場具有力和能的雙重特性。所以靜電場是客觀存在的一種看不見的特殊物質，非常抽象。描述靜電場引入了許多物理概念和物理量，如電場強度、電勢、電勢差，電場力、電勢能等。學生在學習靜電場的過程中出現了許多困惑，為什么要引入電場強度、電勢和電勢差？為什么電場強度、電勢和電勢差都用比值法定義？為什么用課本中的那種方式定義？這些物理量之間究竟存在什么樣的關系？所以教師在教學過程中要解決學生的這些困惑，學生才能真正理解描述靜電場的概念和物理量。以下是我在教學過程中的具體做法，就是利用控制變量法引入描述靜電場的概念和定義物理量，首先讓檢驗電荷的電量q不變，改變檢驗電荷在電場中的位置，然后讓檢驗電荷在電場中的位置保持不變，改變檢驗電荷的電量q。

電場強度的教學過程中，電荷之間的相互作用是通過電場實現的，在靜電場中不同的位置放入同一個檢驗電荷q，通過實驗探究就會發現同一個檢驗電荷q在靜電場中不同的位置受到的電場力不同，這就說明靜電場中不同的位置電場是不同的，這個不同導致了檢驗電荷受到的電場力不同，究竟是電場中不同位置的什么不同導致了力不同呢？所以就得引入一個物理量來描述這個不同，物理學中就把這個物理量定義為電場強度E，物理學中規定同一個檢驗電荷q受到的力越大的地方電場越強，受到的力越小的地方電場越弱，這就說明電場是有強弱的，所以電場強度就是用來描述電場強弱的物理量，引入它是為了確定電場力。那怎么定義電場強度呢？如果在靜電場中同一個位置放入不同的檢驗電荷q，通過實驗探究就會發現檢驗電荷不同受到的電場力F就不同，但同一個位置處檢驗電荷受到的電場力F與檢驗電荷的電量q成正比，F∝q，如果用數學表示有F=kq，k=F/q，k是一個常數，不同的位置這個常數不同，同一個位置這個常數k是一個定值，這就說明這個常數是由靜電場決定的，與放入的檢驗電荷q無關，靜電場中k越大的地方檢驗電荷受到的力越大，k越小的地方檢驗電荷受到的電場力越小，k和我們想定義的電場強度完全相符，所以物理學中把這個常數定義為電場強度E，E=F/q就是電場強度的定義式，而F=qE就是電場力的決定式，由此可以看出電場力F與兩個因素有關，內因電荷電量q和外因電場強度E。

電勢的教學過程中，仍然用控制變量法。如果設想把一個檢驗電荷q放入靜電場中，在電場力的作用下就會加速運動，電場力對檢驗電荷做正功，它的動能就會越來越多，根據能量守恒定律，一定是電荷的其他形式的能量在減少，這就說明檢驗電荷在電場中具有其他形式的能量，檢驗電荷在運動過程中不同的位置動能不同，所以檢驗電荷的這個未知能量也就在不同位置會不同，那這個未知能量究竟是什么能量呢？物理學中就把這個能量定義為電勢能EP，根據功能原理，電荷在電場的某一個位置的電勢能，等于把它從這個位置移動到零勢能位置時電場力做的功。同一個檢驗電荷q在電場的不同位置電勢能EP不同。如果電場是勻強電場，檢驗電荷仍然會加速運動，動能仍然會越來越多，電勢能就越來越少，所以同一個檢驗電荷q在電場的不同位置電勢能EP不同，肯定不是電場強度不同導致的，說明電場的不同位置，還有另外一個物理量不同，物理學中就把這個物理量定義為電勢φ。那怎么定義電勢φ？如果在靜電場的同一個位置再放入不同的檢驗電荷q，電勢能EP就不同，但電勢能和檢驗電荷的電量卻成正比，EP∝q，用數學表示有EP=kq，k是一個常數，不同的位置這個常數不同，同一個位置這個常數k是一個定值，這就說明這個常數是由靜電場決定的，與放入的檢驗電荷q無關，物理學中就把這個常數定義為電勢，φ=EP/q這就是電勢的定義式，

由此可以看出電勢能EP與兩個因素有關，內因電荷電量q和外因電勢φ。

電勢差的教學過程中，一個檢驗電荷q在靜電場中受到電場力的作用而運動，電場力對檢驗電荷做功，檢驗電荷的動能和電勢能之間相互轉化，電場力做正功，電勢能減少，動能增加，電場力做負功，電勢能增加，動能減少，根據功能原理，WAB=EpA-EPB=qφA-qφB=q（φA-φB），物理學中把（φA-φB）定義為電勢差UAB，就是兩點之間電勢的差值，UAB=WAB/q這就是電勢差的定義式。

通過這樣的教學過程，學生們就理解了為什么要引入電場強度、電勢和電勢差。

（責任編輯 易志毅）