基于跨學科融合視域的電動勢高端備課再研究

張惠晴　邢紅軍　石堯

摘? ?要：基于跨學科融合視域，對電動勢教學的高端備課進行了再研究。通過闡明“板電場”“膜電場”模型建立的微觀機制，指出非靜電場與靜電場、非靜電力與靜電力在場源電荷與電路構成上的本質區別，并從三種視角展現了銅鋅伏打電池中非靜電力做功的本質圖景，最終得出了非靜電場、非靜電力為電路提供恒定電流的物理機制。

關鍵詞：電動勢；跨學科；物理建模；高端備課

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0072-4

電動勢作為描述電源特性的物理量，不僅對于學生理解電路中回路的構成，建立能量觀有著特殊的意義，同時也是電化學領域的重要研究對象。因此，電動勢的教學就帶有鮮明的“跨學科”屬性。有鑒于此，我們立足跨學科融合的視域，在梳理原有電動勢高端備課不足的基礎上，對電動勢內容的教學展開再研究。

１? ? 電動勢高端備課再研究的意義

電動勢的高端備課立足電動勢形成的知識本質，根據教材內容的深廣度與學生的可接受程度，以伏打電池為例，系統闡釋了電動勢的微觀機制，從而對電動勢的教學進行了有益探索。簡而言之，文中先對現行電動勢的教學進行了回顧與反思，并在此基礎上指出：現有教學安排均回避了對電動勢概念的本質闡述，導致學生可能無法完整地建立電動勢的概念。隨后，文中以銅鋅伏打電池為例，指出非靜電力在本質上仍然是一種“電場力”，這種立足“非靜電力”本質的詮釋，使電動勢的概念和形成過程一目了然［１］。當然，物理高端備課作為一種接受課堂教學實踐檢驗的備課形式，在經歷了課堂教學實踐后，也需要進行自我革新。為此，我們基于跨學科融合的視域對電動勢的高端備課進行了深入反思，并嘗試進一步將“板電場”模型和“膜電場”模型建立的微觀機制、靜電場與非靜電場的區別、靜電力與非靜電力的區別融入其中。

２? ? 電動勢高端備課的再研究

追溯電化學發展史，世界上第一個真正意義上的電池是由意大利物理學家伏打發明的。伏打發現，只要兩種中間夾有濕硬紙、皮革或其他海綿狀物的不同金屬接觸，就會有電流產生，從而據此研制出了能維持一定電流的伏打電堆，如圖1所示［２］。這里，我們對“伏打電堆”進行教學上的簡化與純化，即將鋅片與銅片置于稀硫酸中，構造出一個簡化的“伏打電堆”模型，如圖2所示（說明：為了方便呈現，本圖及后面相關圖片均略去電解質溶液）。接下來，我們從分析恒定電流的形成過程入手，嘗試厘清電動勢在電路中的作用和意義。

現藏于意大利科莫伏打博物館

２．１? ? 在稀硫酸中插入鋅板與銅板，分析化學反應實質

首先，根據金屬活動性順序表（圖3），鋅可與稀硫酸發生反應，繼而失去電子，以帶正電荷的鋅離子形式存在于溶液中；相應地，稀硫酸中的氫離子因從鋅板中得到電子而變為氫氣逸出，化學反應方程式可表示為：

Zn+H₂SO₄=ZnSO₄+H₂↑

同時，由于金屬銅性質穩定，不與稀硫酸反應，所以銅板不受影響。

２．２? ? 連接鋅板與銅板，分析“板電場”與“膜電場”模型建立的微觀機制

用導線連接鋅板與銅板后，電路就形成了回路。這里，我們先分析鋅板上的電子運動情況。此時，電子有沿導線從低電勢向高電勢移動的趨勢，同時剛進入溶液帶正電荷的鋅離子也阻礙了帶同種電荷的氫離子進一步獲得電子，這樣電子就暫時積聚到了鋅板上。由此，儲存電子的鋅板將帶有負電荷，就吸引溶液中的鋅離子排列在鋅板與溶液的接觸面上，從而形成了一層帶等量正電荷的“薄膜”。再分析銅板上電子的運動情況，電子在鋅板的儲存導致溶液中正電荷累積而顯正電性，這樣銅板的電子必然受到正電荷的吸引而進入溶液中，完成電性的中和，由此從物理視角解釋了“溶液呈電中性”的原因。此外，留下的銅板帶有正電，最終溶液中的電子也將受到吸引，排列在銅板與溶液的接觸面上，形成一層帶等量負電荷的“薄膜”［３］。這里，我們把在鋅板和銅板內表面電荷構成的電場稱為“板電場”，把鋅板外表面（與溶液接觸的表面）的正電荷“薄膜”與銅板外表面（與溶液接觸的表面）的負電荷“薄膜”構成的電場稱為“膜電場”，如圖４所示，這就是“板電場”與“膜電場”模型建立的微觀機制。

２．３? ? 連接鋅板與銅板，分析“板電場”與“膜電場”模型變化的微觀機制

當鋅板與銅板連接后，原電池就連通了外電路，如圖５虛線框所示。由于鋅板帶負電而電勢低，銅板帶正電而電勢高，因此，鋅板中的電子受到銅板上正電荷電場的吸引，在外電路中沿導線從鋅板流向銅板，結果導致鋅板上的電子與銅板上的正電荷都減少了，相應地“板電場”也就變小了。

隨著“板電場”的減小，“膜電場”對電子的阻礙作用不斷增強，直到鋅板中的電子減少到一定數量后，“膜電場”變得足夠強，以致電子再也無法流向銅板，此時“板電場”與“膜電場”便暫時達到了穩定狀態。這里，我們把“板電場”與“膜電場”在空間疊加形成的等效電場稱作“E非”。由于此時“板電場”減小，“膜電場”起主要作用，因此“E非”（E_非＝E_膜-E_板）的場強方向向右。并且，因為此時銅板和鋅板外表面（與溶液接觸的表面）的電荷是靜止的，所以“板電場”是靜電場，施加給電子的力是靜電力［４-５］。

２．４? ? 連通內電路，分析內電路離子移動

在外電路連通后，稀硫酸溶液作為“導電體”也就連通了內電路，如圖６虛線框所示。稀硫酸作為強電解質，在水中能夠完全電離生成氫離子與硫酸根離子，電離方程式為：

H_２SO_４=2H^＋+SO₄^２－

鋅板內表面的電子經導線來到銅板后與氫離子結合，生成氫氣離開溶液體系，并且隨之產生的鋅離子和剩余的硫酸根就會積累在鋅板外表面與銅板外表面，使“膜電場”增強，從而阻礙電子移動，使化學反應終止。可以說，正是因為有等效電場“E_非”的存在，使銅板附近帶負電荷的硫酸根被不斷搬向鋅板，中和帶正電的鋅離子，從而為新“剩余”出的硫酸根“騰出”位置。

等效電場“E非”消除了鋅板因為生成電子而帶來的電荷積聚影響，從而使鋅板上電子數量減少后，又能有新的電子產生，繼而使鋅板上的電子數保持恒定。并且，由“板電場”的形成過程可知，銅板上的正電荷是溶液中帶正電的鋅離子吸走銅板上的電子所致。再由電極方程式：

Zn-2e^-= Zn²⁺

可知，鋅板上電子的增多必定伴隨著溶液中鋅離子的增多。現在鋅板上的電子數保持恒定，故而進入溶液中的鋅離子數量也是恒定的，由此可知銅板上的正電荷數量保持不變，因此構成“板電場”的電荷就達到了“動態平衡”。同樣，盡管構成“膜電場”的鋅離子與硫酸根也在不斷運動，但總有新的鋅離子與硫酸根補充進來，因此也達到了一種“動態平衡”。

此時，雖然構成“板電場”與“膜電場”的電荷不是靜止的，但電荷的分布是穩定的，不會隨時間而變化，故而導致電場的分布也不會隨時間而變化。值得說明的是，這種“由穩定分布的電荷所產生的穩定電場”正是我們在高中階段所學的 “恒定電場（ｓｔｅａｄｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）”［４］。由于產生恒定電場的電荷處于“動態平衡”中，因此，恒定電場是一種“非靜電場”，帶電離子在電場作用下受到的力也是非靜電力。如圖7所示。

、２．５? ? 統領全局，理解非靜電力的本質

最后，教師在此基礎上，從回路電勢、回路電荷、回路電場三個角度，為學生闡釋非靜電力的本質。從回路電勢的角度而言，電子從鋅板不斷來到銅板，導致鋅板一側電勢逐漸升高，銅板一側電勢逐漸降低。為了能持續產生電流，電路中需要維持電勢差。對于正極：

2H⁺+2e^-=H₂↑

銅板上的電子不斷被氫離子結合而生成氫氣逸出，導致電勢的升高。對于負極：

Zn-2e^-=Zn²⁺

鋅板不斷生成電子而導致電勢的降低，并且隨之生成的帶正電荷的鋅離子進入溶液中，被E■搬運來的硫酸根中和。從回路電荷的角度，外電路中帶負電荷的電子在靜電力的作用下，沿導線由負極來到正極；內電路中帶負電荷的硫酸根在等效電場的非靜電力作用下，從溶液中由正極來到負極，最終構成了負電荷在電路中的“回流”。從回路電場的角度，恒定電場作為一種“非靜電場”，其特殊性在于，它提供的“非靜電力”能夠升高電勢，從而彌補了“靜電力僅能讓電路電勢降低而無法維持電勢差”的不足。電荷“非靜止”的意義不僅在于令恒定電場導體內部的電場強度不等于０，使電荷被不斷搬運以維持電勢差；同時電荷持續非靜止的定向運動需要能量來維持，這就決定了電源是一種能量轉化裝置。可見，正是場源電荷的狀態及分布情況決定了靜電場與非靜電場、靜電力與非靜電力在電路構成與能量轉化上的本質區別。

上述三種視角清晰地展現出了銅鋅伏打電池中非靜電力做功的本質，即銅鋅伏打電池通過化學的方式產生非靜電場，該電場通過提供“非靜電力”對溶液中的帶電粒子做功，繼而維持電源電勢差，將化學能轉化為了電勢能。該圖景不僅展現了“非靜電場”“非靜電力”為電路提供恒定電流的重要意義，更揭示出在電源內部的電路中，施加給帶電粒子的“非靜電力”不是“化學力”等由電源類型決定的力，而是由動態的電荷所施加的“電場力”，從而完美地剖析了電動勢產生的微觀機制。

３? ? 研究啟示

３．１? ? 掌握建模方法，培養科學思維

眾所周知，物理知識的獲得和應用均需要借助科學方法來完成，其中理想模型法作為一種重要的科學方法，以分析、抽象、概括等思維為基礎，意在突出主要因素，忽略次要因素，使復雜而冗繁的物理現象變得簡單且易于分析［６］。研究顯示，理想模型法只有在實際應用中，才能被學生掌握與內化。故而為了使學生能夠更好地掌握理想模型法，我們從選取研究對象開始，便積極引導學生運用理想模型法對伏打電堆進行簡化與純化，由此構建出由鋅板、銅板、稀硫酸溶液和導線組成的探究模型。再者，“板電場”與“膜電場”的建立也是以電化學中的“雙電層（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ）”模型為基礎的，其間引導學生立足物理視角，忽略“溶劑化離子（ｓｏｌｖａｔｅｄ ｉｏｎｓ）”“吸附現象（ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）”［３，７］等次要因素，突出主要的“電荷分布”這一關鍵性因素，來完成理想化模型的建構。可以說，理想模型法貫穿電動勢教學設計的始終，使學生在電動勢的學習中可以漸次體驗理想模型法的妙用，并完成方法的內化。

３．２? ? 注重過程細節，疏通教學邏輯

物理教學不僅要講清楚“是什么”，更要從知識的本質入手講清楚“為什么”［８］。針對電動勢的教學而言，在理解伏打電池微觀機理的過程中，學生要根據已掌握的知識嘗試對新知識進行解釋與學習。倘若粗淺地略過了其中一些關鍵的教學過程，勢必會造成學生頭腦中邏輯鏈條的斷裂，無法形成對電動勢的完整認識。于是，我們在教學中補充了“在稀硫酸中插入鋅板與銅板，分析化學反應實質”“連接鋅板與銅板，分析‘板電場與‘膜電場模型建立的微觀機制”等環節，由此為“板電場”與“膜電場”的模型建立與理解做好了充分鋪墊，讓學生能夠真正明晰等效電場的來龍去脈，促使他們順利完成對非靜電力本質的探究。

３．３? ? 關注學科融合，貫通理科知識

Ｍｏｒｒｉｓｏｎ 曾指出，“將知識按學科進行劃分，對科學研究、深入探究自然現象、模塊化地教授知識有所助益，但卻不能反映我們生活世界的真實性和趣味性”［９］。由此可見，各學科之間的融合與貫通不僅可以更好地解釋現有的概念與問題，更能為未來的研究與探索打下堅實的基礎。有鑒于此，我們基于跨學科融合的視角，擺脫學科中特定知識的束縛，重新開啟了電動勢教學的高端備課，從物理和化學之間的跨學科聯系切入，打破學科間的“思維壁壘”，回歸問題研究者的原始身份。值得強調的是，在進行“跨學科”的物理教學中，教師必須堅持自己的物理學科立場。如教學中對電動勢微觀機制的剖析，雖然是建立在化學原電池的基礎之上，但我們的高端備課在建模與分析電動勢的微觀機制時均采取了“突出物理視角，弱化化學知識”的方式，著重強化了“電場”“電場力”的作用，闡釋了“溶液呈電中性”的原因，并結合基本化學方程式去理解電動勢形成過程中的電勢與電荷變化，而非囿于“氧化還原”“化學平衡”等化學問題。

參考文獻：

［１］許冉冉，邢紅軍．電動勢教學的高端備課［Ｊ］．物理教師，２０１６，３７（５）：６－８．

［２］人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心．普通高中教科書化學選擇性必修 １化學反應原理［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９：１０１－１０２．

［３］高鵬，朱永明．電化學基礎教程［Ｍ］．北京：化學工業出版社，２０１３：５２，６２．

［４］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心．普通高中教科書物理必修第三冊［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９：１１－１２，５４．

［５］程守洙，江之永．普通物理學上冊［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０１６：２５７．

［６］邢紅軍．高中物理科學方法教育［Ｍ］．北京：中國科學技術出版社，２０１５：６４．

［７］傅獻彩．物理化學·下冊［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６：７３．

［８］喬際平．物理教育學［Ｍ］．南昌：江西教育出版社，１９９２：３．

［９］Ｍｏｒｒｉｓｏｎ Ｊ， Ｂａｒｔｌｅｔｔ Ｒ， Ｒａｙｍｏｎｄ Ｖ． ＳＴＥＭ ａｓ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ［Ｊ］．Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｗｅｅｋ，２００９（２３）：２８-３１．

（欄目編輯? ? 李富強）