在“靜電場”習(xí)題教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的閱讀能力①

張小洪 蔣 敏

(西南大學(xué)附屬中學(xué)校,重慶 400700)

1 引言

物理學(xué)習(xí)需要學(xué)生具有相應(yīng)的物理閱讀能力。一方面,物理閱讀能力與一般閱讀能力一樣,包含對信息進(jìn)行掃描、檢索并輸入大腦的能力,對信息進(jìn)行理解、推理、判斷的處理能力,以及將處理過的信息說出來、畫出來、寫出來的輸出能力。另一方面，物理閱讀能力又具有鮮明的物理特色,信息輸入的能力包含對文字、符號(hào)、圖像信息的輸入能力,信息的處理能力包含根據(jù)信息還原物理情景、抽象物理模型、將字符與圖像語言互化的能力,信息的輸出能力包含將生活語言轉(zhuǎn)化為物理語言、物理語言轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語言的能力。筆者以“靜電場”習(xí)題教學(xué)為例，探討培養(yǎng)學(xué)生的閱讀能力的途徑。

靜電場是高中物理的重要內(nèi)容,對于物理閱讀能力有多方面的要求,教師在習(xí)題教學(xué)中,可以從信息輸入能力、信息處理能力、信息輸出能力三個(gè)方面入手,培養(yǎng)學(xué)生的物理閱讀能力。

2 培養(yǎng)學(xué)生的信息輸入能力

在靜電場的習(xí)題解答中,會(huì)涉及對文字、符號(hào)、圖像信息的掃描、檢索等輸入過程。

例1:如圖1所示,實(shí)線表示某靜電場的電場線(方向未標(biāo)出),虛線是一帶負(fù)電的粒子只在靜電力作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡,設(shè)M點(diǎn)和N點(diǎn)的電勢分別為φM、φN,粒子在M和N時(shí)加速度大小分別為aM、aN,速度大小分別為vM、vN,電勢能分別為EpM、EpN。下列判斷中正確的是( )。

圖1

A.vM

B.vM

C.φM<φN，EpM

D.aM

根據(jù)題干所述,圖中實(shí)線為電場線,粒子帶負(fù)電,經(jīng)分析可得正確選項(xiàng)為D。若僅將電場線改為等勢面,則正確選項(xiàng)變?yōu)锽;若僅將“帶負(fù)電的粒子”改為“帶正電的粒子”,則正確選項(xiàng)變?yōu)镃。例1比較有代表性，反映了在靜電場的學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常涉及的電荷的正負(fù)、電場線與等勢面的區(qū)分、腳標(biāo)的順序等典型問題。如果學(xué)生在信息輸入的過程中,忽視或看錯(cuò)這些關(guān)鍵信息,則會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

因此,教師在教學(xué)過程中要利用類似于例1的例題,讓學(xué)生體驗(yàn)其中的區(qū)別;同時(shí),引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成閱讀時(shí)用筆勾畫出“電場線”“等勢面”“正電荷”“負(fù)電荷”以及物理量的腳標(biāo)(包括腳標(biāo)中的字符順序)等關(guān)鍵信息的習(xí)慣;另外,還可以通過讓學(xué)生自己編制習(xí)題等方式進(jìn)行練習(xí)和鞏固,讓學(xué)生不僅能辨析信息,還能站在一定的高度主動(dòng)檢索文字或圖像中的關(guān)鍵信息，養(yǎng)成良好的物理閱讀習(xí)慣,提高信息輸入的準(zhǔn)確性。

3 培養(yǎng)學(xué)生的信息處理能力

靜電場的學(xué)習(xí)經(jīng)常涉及電場線、等勢面以及帶電粒子在靜電場中的運(yùn)動(dòng)、能量等問題,問題解決中經(jīng)常要用圖像進(jìn)行表達(dá)，從中可以培養(yǎng)學(xué)生還原物理情景、抽象物理模型、將字符與圖像語言互化的信息處理能力。

例2：圖2所示為某電場中x軸上電勢φ隨x變化的圖像,一帶電粒子僅受靜電力作用,從x=0處由靜止釋放并沿x軸正向運(yùn)動(dòng),以一定的速度通過x=x2處,則下列說法中正確的是( )。

圖2

A.x1和x2處的電場強(qiáng)度均為零

B.x1和x2處的場強(qiáng)方向相同

C. 粒子從x=0到x=x2過程中，電勢能先增大后減小

D. 粒子從x=0到x=x2過程中，加速度先減小后增大

初步分析圖像,可看出電勢φ隨x變化的規(guī)律是先升高后降低,由于粒子僅受靜電力且由靜止釋放,電場力一定是先做正功后做負(fù)功(其運(yùn)動(dòng)和受力情況如圖3所示),因此粒子的電勢能先減小后增大,C選項(xiàng)錯(cuò)誤。

圖3

進(jìn)一步分析圖像,φ-x圖線的斜率大小表示場強(qiáng)的大小,斜率的正負(fù)表示場強(qiáng)的方向,可判斷出x1和x2處場強(qiáng)均不為零且方向相反,圖2中電勢最高的x3處場強(qiáng)恰好為零。可畫電場線分布大致如圖4所示(因不知電荷的具體分布情況,只能大致畫圖,但足以解決問題)。場強(qiáng)Ex隨x變化的規(guī)律大致如圖5所示(假設(shè)水平向右為正方向，因不知道φ與x的具體函數(shù)關(guān)系,故所畫Ex-x圖像時(shí)只關(guān)心Ex的正負(fù)與增減,不深究其圖像斜率的大小,但足以解決問題),因此A、B選項(xiàng)錯(cuò)誤,D選項(xiàng)正確。

圖4

圖5

在解答本題的過程中,用到了φ-x圖像與運(yùn)動(dòng)情景圖、電場線的相互轉(zhuǎn)化。在靜電場習(xí)題教學(xué)中常涉及E-x圖像、φ-x圖像和相應(yīng)的v-t圖像問題,教師可充分利用此類習(xí)題,引導(dǎo)學(xué)生將圖像信息與物理情景相結(jié)合,通過E-x圖像、φ-x圖像和v-t圖像的相互轉(zhuǎn)化,培養(yǎng)學(xué)生的信息處理能力;同時(shí),學(xué)生還學(xué)習(xí)了點(diǎn)電荷、等量同種電荷、等量異種電荷的電場、勻強(qiáng)電場等典型電場的場強(qiáng)和電勢特點(diǎn),以及這些電場對應(yīng)的電場線、等勢面分布情況,已基本形成了模塊化知識(shí)結(jié)構(gòu),教師需引導(dǎo)學(xué)生“窺一斑而見全豹”,既能根據(jù)閱讀信息還原物理情景,又能根據(jù)物理情景抽象出物理模型，如本例給出了某點(diǎn)電荷電場中一點(diǎn)的場強(qiáng)情況,我們可能還原出這是正點(diǎn)電荷的電場,然后可以據(jù)此模型比較電場中另外兩點(diǎn)電勢的高低。教師如能做好以上兩點(diǎn),可提升學(xué)生的信息處理能力。

4 培養(yǎng)學(xué)生的信息輸出能力

在解決帶電粒子在靜電場中運(yùn)動(dòng)的問題時(shí),正確列式是非常重要的一步。列出式子是一個(gè)信息的輸出過程,學(xué)生需要“以輸出倒逼輸入”,優(yōu)化閱讀過程,將生活語言轉(zhuǎn)化為物理語言，并最終轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語言。

例3:如圖6所示,初速度為零的氕、氘、氚的原子核經(jīng)同一電場加速后,又經(jīng)同一勻強(qiáng)電場偏轉(zhuǎn),最后打在熒光屏上,以下說法中正確的是( )。

圖6

A. 經(jīng)過加速電場的過程中,靜電力對氚核做的功最多

B. 經(jīng)過偏轉(zhuǎn)電場的過程中,靜電力對三種核做的功一樣多

C. 三種原子核打在屏上的速度一樣大

D. 三種原子核都打在屏的同一位置上

首先,粒子的電荷量為q,質(zhì)量為m,則氕、氘、氚原子核的q相同、m不同;其次,根據(jù)圖6中的標(biāo)注,確定加速電壓和偏轉(zhuǎn)電壓為分別為U1和U2;再次，根據(jù)粒子先做勻加速直線運(yùn)動(dòng)、后做類平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),設(shè)偏轉(zhuǎn)極板的長度為L,板間距離為d,偏轉(zhuǎn)極板右端到熒光屏的水平距離為L′。在判斷題中各選項(xiàng)時(shí),都要想辦法用以上物理量來進(jìn)行表達(dá)，列式分析過程如下:

(1) 在加速電場中靜電力做的功均為W1=qU1,故A選項(xiàng)錯(cuò)誤。

在此類問題解決中,公式看起來多而雜,成功解決此類問題的邏輯線索為：先根據(jù)所求物理量列式,一步步倒推每一個(gè)需要進(jìn)一步表達(dá)的物理量,“順瓜摸藤”,直到每一個(gè)物理量在已知條件中都有了“著落”,才算大功告成。

通過對例3的分析不難發(fā)現(xiàn)：信息的輸出是整個(gè)物理閱讀過程的目標(biāo)與方向,在根據(jù)信息輸出的需要進(jìn)行回溯的過程中,對信息進(jìn)行檢索、組織、加工、整合、判斷的過程會(huì)變得更明確、更規(guī)范、更有序。在高中物理習(xí)題教學(xué)中,類似的情況還有很多,例如，在解答帶電粒子在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)的問題時(shí),因?yàn)樾枰谐雎鍌惼澚μ峁┫蛐牧Φ氖阶?就必然要求學(xué)生在閱讀過程中注意檢索和分析電荷量、磁感應(yīng)強(qiáng)度、速度、半徑與圓心的位置等信息。在解決物塊與彈簧組成的物體系統(tǒng)的動(dòng)量與能量的綜合問題時(shí),由于需要列出各物理過程中的動(dòng)量或能量表達(dá)式,就必然要求學(xué)生在處理信息的過程中關(guān)注彈簧處于原長、最短、最長等特殊狀態(tài)時(shí)各物體的運(yùn)動(dòng)和受力情況，關(guān)注在各物理過程中是否滿足動(dòng)量守恒或機(jī)械能守恒的條件。可見,培養(yǎng)學(xué)生的信息輸出能力是提升他們物理閱讀能力的重要手段。

5 結(jié)語

筆者結(jié)合靜電場的內(nèi)容特點(diǎn),探討從信息的輸入、處理和輸出的角度培養(yǎng)學(xué)生物理閱讀能力的途徑,旨在提升學(xué)生的核心素養(yǎng),促進(jìn)學(xué)生的終身發(fā)展。