把握四个“两” 突破静电场教学中的难点

(南京市金陵中学，江苏 南京 210005)

《静电场》是高中电磁学的开篇，本章新概念多，概念间的关系比较复杂，同时突出了比值定义、类比等多种科学方法，对学生综合运用知识的能力要求比较高，学生学习难度较大.因此，教师在教学中，需要帮助学生理清知识主线，突出两个核心概念(E与U)、两种几何描述(“线”与“面”)、两种运动类型(加速与偏转)和两种科学方法(比值与类比)，教学中把握这四个“两”，带领学生理解物理概念、掌握物理规律、体会科学方法.

1 两个核心概念(E与U)

《静电场》一章有很多新概念，如电场强度、电势、电势差、电势能等，加上电场力、电场力做的功、电容器与电容等概念，学生初学时普遍感到难度较大.

在众多新的概念中，本章的核心概念是电场强度与电势，一个代表电场力的属性，一个代表电场能的属性.教学中除让学生掌握每个概念的内涵外，还需要特别注意让学生理解各个概念间的联系.为帮助学生深入理解概念内涵并明确各个物理量之间的关系，笔者建立如下框图(如图1).

图1

引导学生关注图中坐标系：在x轴上方的是描述场力的性质的物理量，x轴下方的是描述场能的性质的物理量，在y轴左方的物理量是由场的属性决定的、仅与场有关的物理量，y轴右方是与场和放入其中的带电体都有关的物理量.在x轴上方的是矢量，在x轴下方的是标量.标号①-⑦分别提醒学生理解各物理量之间的关系.

2 两种几何描述(“线”与“面”)

爱因斯坦说“对于一个学物理的人来说，场就像椅子一样客观存在”.但对于这样一个“客观存在”，学生理解起来却有一定的困难.电场线与等势面则是帮助学生成为形成一个清晰概念图景的重要手段.

教学的关键在于让学生理解电场线与等势面的意义.笔者教学中首先提出一个情景问题：太阳给你温暖的感觉，你怎么描述出来？学生很自然的在太阳周围作出一些线表示光线(如图2)，这让学生理解为什么要引入图像的描述.

图2

同时问学生为什么没有人会画成右边图那样？让学生理解电场线与我们画的光线一样表示电场的存在，但线的画法要有一定的规则.等势面的教学同样如此.另外，教学中同时要让学生掌握典型电场的电场线、等势面分布，并能够通过这些图景解决一些问题.

3 两种运动类型(加速与偏转)

本章牵涉力与运动的问题较多，包括带电体在电场力作用下的平衡问题与运动问题.教学中应首先帮助学生构建运动情景框图(如图3).

图3

解决粒子在电场中的运动是静电场中的力学问题，通常有三条途径：(1)运用匀变速直线运动公式和牛顿定律；(2)运用动能定理和能量守恒定律；(3)运用动量定理和动量守恒定律.其中后两种方法还适用于带电粒子在非匀强电场中的运动及在电场中的圆周运动、机械振动等问题.

带电粒子进入加速和偏转电场中的运动是教学的重点.在教学中应让学生充分展开讨论，利用原有力学知识解决相关问题，发现规律.对于加速问题，可让学生回答下述问题：(1)若粒子以速度v0从正极板小孔沿电场强度方向进入电场，则从负极板穿出时的速度v有多大？(2)若粒子以初速度v0从负极板小孔沿电场强度方向进入电场，粒子作什么运动？(3)如果不是匀强电场，能否用匀变速运动公式求出粒子达到负极板的速度，为什么？应该怎么办？

对于偏转问题，引导学生对照物体在重力场中的平抛运动,根据受力、加速度、飞行时间、侧移距离、末速度v与初速度v0的夹角φ，结合例题，逐步推导出侧移量y和夹角φ的表达式，并讨论决定φ的因素.掌握侧位移与初速度、侧位移与初动量、侧位移与初动能、侧位移与加速电压的关系.另外需要强调的重要结论是：带电粒子沿两极板等分平面进入板间匀强电场,经偏转电场飞出时就好象是从电场中心射出来一样，与带电粒子、偏转电压及两极板间距等因素均无关.

4 两种科学方法(比值与类比)

《静电场》一章教学注重三维目标的落实，引导学生体会比值定义、类比等科学方法，让他们了解科学家的研究过程，学习科学方法.

(1)关于比值定义

场强、电势、电容的定义都采用了比值定义的方法.教材特别强调了比值定义的含义，然而在学习中，很多同学对比值定义理解不够，并提出了类似于“为什么a=Δv/Δt是比值定义，但a=F/m不是比值定义？”等问题，因此，教师在教学中要特别强调以下几点：

①比值定义法是在定义一个物理量的时候采取比值的形式，这种定义方法往往适用于定义物质属性或特征、物体运动特征.

②应用比值法定义物理量，往往需要一定的条件：间接反映概念属性的两个物理量是已经有明确定义并可以测量的，同时这两个物理量的比值必须是一个与其无关的定值.

③不能将比值法的公式纯粹的数学化.在建立物理概念时需明确概念表达的属性，掌握物理过程，理解其物理内涵.在数学形式上用比例表示的式子，不一定就是比值.如公式a=F/m在数学形式上象比值，但不具备比值法的本质特点，因此不能称为比值定义.

④对于比值法定义的概念，要理解定义的过程.以电场强度为例：学生需要理解引入一个新物理量的目的是什么(描述电场力的性质)？如何去进行研究？运用哪些方法(引入检验电荷，观察其受力)？研究中有哪些主要的物理现象、事实和已知规律(根据库仑定律计算检验电荷的受力)？通过研究得到怎样的结论(场强大小与电场力与检验电荷的电量无关)？物理量的物理意义是什么(描述了电场本身力的属性)？

(2)关于类比

康德说：“每当理智缺乏可靠论证的思路时，类比这个方法往往指引我们前进.”类比是通过联想，把异常的、未知的事物(研究对象)跟寻常的、熟悉的事物(类比对象)对比，然后根据两个对象之间存在的某种类似或相似的关系，从已知对象具有的某种性质推出未知对象具有相应的一种性质.本章在类比教学中，可通过以下内容进行：

①库仑力与万有引力的比较.它们有相类似的表达式，有相似的实验方法，有相似的适用条件(真空中质点或点电荷)，有相似的作用(分别提供天体或微观粒子的向心力).同时引导学生注意对于微观的带电粒子，万有引力远远小于库仑力，可忽略.

②电势场与重力场的类比：比较两个保守力相似的特性，相似的概念引入过程，物体在其中相似的受力与能量特征.

③电容概念的建立：电容概念的引入，可以用水容器储水能力的大小类比储电荷的电容器容纳电荷本领的大小.对储水的容器只有作出某一规定，如规定了水位每上升1cm所储的水量多容器储水能力就大，即可比较不同的容器储水能力的大小；所以，我们如果规定电容器两极间的电压升高1V所需充的电量多的，其容纳电荷的本领就大，就可以用电容器所带的电量Q跟两极间电压U的比值，定义电容器的电容.

总之，在教学中把握静电场教学的四个“两”——两个核心概念(E与U)；两种几何描述(“线”与“面”)；两种运动类型(加速与偏转)；两种科学方法(比值与类比)，将有利于帮助学生深入的理解物理概念，清晰的构建知识体系，全面的提升科学素养.