浅谈高中物理中的电学章节教学

2015-07-17郭兰英

科学中国人 2015年12期

关键词：电磁感应电学电荷

郭兰英

重庆市田家炳中学校

浅谈高中物理中的电学章节教学

郭兰英

重庆市田家炳中学校

电学是高中物理的一个重要组成部分，在知识体系中从电子的围观角度和电路的宏观角度分别对电进行了阐释，通过对电场强度、电势能以及电容等的介绍使学生从各个角度对电学产生了一定的了解，对学生进入高等学府继续学习电学打下了坚实的基础。在本篇文章中，作者对高中物理学中的电学知识框架进行了阐释，希望能够对高中学生学习物理学起到一定的帮助。

浅谈；高中物理；电学

高中物理中的电学知识点主要包含电流、电磁场、电磁感应和交变电流四个部分，四个部分层层递进相互联系，完全涵盖了基础电学的所有知识，既起到了普及科学的作用，有起到一个阶梯的作用，为同学们进入大学后学习高等电学做准备。

一、电流

电流的基础知识包括了电流的产生原因、电流在电路中的分配原则以及电流与做功的关系等。说起电流的产生原因，其根本就是电荷的运动，物理学规定电流的方向与正电荷的运动方向一致，与负电荷的运动方向相反，所以金属晶体中的电流方向与电子运动的方向相反。从电势的角度来看，产生电流的原因是电势差的存在以及电势差之间的通路。电流的大小表示的是电荷流动的密度，同时也是电势差与电阻的比值。电流在电路中的分配原则可分为串联电路和并联电路两种情况，在串联电路中，由于电子依次通过每一个电子元件，就如水流依次通过变径的水管一样，每一处的电流密度肯定是相同的，根据欧姆定律，电流运动在电子元件上引起的电压降，也就是电势降低的幅度与电阻成成正比，也就是说电阻大的元件分配的电压降较高，但是经过它们的电流相同。这一点在并联的电路中正好相反。在并联的电路中，由于电流有着多种选择，比如在两条并联的电路中，电流肯定会优先选择电阻小的电路通过，正如水流更容易通过大管径的通道，于是在不同电阻的两条电路中就产生了电流的分配，事实上，电流的大小这时候与电阻的大小成反比，电阻小的电路电流较大，并且分别将电流与电阻相乘发现电压是相同的，也就是说在串联电路的两侧，两条电路的电压降是相同的，不同的是两条电路中的电流与电阻成反比。电路的并联相当于为电流开辟了新的通道，于是电流必定增加，整体组合的电阻减小，这个结论与欧姆定律中并联电阻的计算是完全吻合的。电流做功是我们目前应用电能最广泛地运用，电动机利用电能产生动力进而驱动各种机器，电灯泡通过对电能的消耗产生热能，而节能等通过电能的消耗来激发汞蒸气发出电磁波刺激管壁内测的荧光粉从而产生照明。电能的消耗是高中物理必考的知识点，通过给定的电流、电压、电阻等参数对电能的消耗进行计算，以及大量公式的相互转换等，成为解题的一个关键。

二、电磁场

电场与磁场存在着密切的关系，根据麦克斯韦的理论，运动的电场产生磁场，并且运动的磁场产生电场。在高中物理的电学体系中，虽然对电场和磁场进行了分开的讲解，到了最后还是对电磁场的概念进行了描述，这样就为高等电学的学习打下了基础。电场是电荷的一种基本性质，任何带电的物体周围都分布着电场，电场的方向是从正极出发指向负极，用电场线的疏密来表示电场的大小。高中物理课本中涉及到的电场基本就是两种类型，一类是电荷周围的电场，正电荷的电场分布是从电荷出发向四周发生，负电荷是从四周指向电荷本身。第二类是平板电容器的电场，从正极指向负极，不考虑边界的情况下，平板电容器中的电场为平行线，这样为计算电荷在其中受到的力以及电荷在其中运动所做的功的大小有很大的方便，成为了一个十分容易出题的考点。沿着电场的方向，电势的概念被提了出来，电势的降低将势能转化为了动能或者热能，这样在能量守恒定律的大背景下进行了电量、电势、电能与动能等的统一。

从微观的角度来讲，任何的磁场都是运动的电荷产生的，例如在永磁体的内部，由于粒子中的电子绕相同的方向转动，使得它们产生的磁场能够叠加到一起，形成了我们宏观上的磁场。再者，有研究表明，地磁场也是由于地壳内部的金属元素主要是铁元素按照一定的方向转动形成的，对于保护地球不受宇宙射线和宇宙高能粒子的破坏起了很大的作用。磁场的强度是用磁感线的密度来表示的，洛伦兹力与带电粒子的速度，带电粒子的电量以及磁感性强度有关。

三、电磁感应

电磁感应的发现和应用为人类利用能源带来了革命性的变化，将其他形式的能源例如水能、风能、热能等转化为电能，然后用电能驱动电动机、电灯、留声机等，为人类文明的进步发挥了重要的作用。在动能向电能转化的过程中，通常是利用发电机，而发电机的基本原理就是电磁感应现象。用一段导体切割磁感线，在导体内部由于电磁感应使得电子的运动不再杂乱无章，而是沿着相同的方向运动，于是在闭合回路之中形成了电流，能量实现了从动能向电能的转化。电磁感应产生的电流的大小与磁感线被切割的速率成正比。在一般的考试题目中，利用楞次定律判断感应电流的方向以及对感应电动势的计算，成为热点的问题。电磁感应为人类的进步做出了突出的贡献。日光灯的自感以及电台发射频率的变化规律，作为选修的内容，也能够引起很多学生的兴趣。

四、交变电流

交变电流是目前我们利用发电机组将动能转化为电能后电能的一种表现形式，由于金属棒在电动机内的上半部分与下半部分切割磁感线的方向相反但是速度相同并且呈现出对称的现象，电动势的瞬间值得图像呈现出正弦或者余弦，于是产生的电流也就成为了正弦或者余弦的波。正极和负极呈现出周期性的交替，这就是交变电流。目前，人类发明的大部分电力机械直接利用的都是交流电，其电能的计算公式与数学中的正（余）弦的面积有着类似的性质。由于交变电流的正负极一直在变化，那么接有电容的电路就变成了通路，通过电感的原理，可以将电压进行转化，电压的大小与变压器两侧的线圈匝数之比有关，对于变压器的变形成为一个很容易出题的考点。通过电磁感应原理，使得交变电流的非接触式测量成为了可能。交变电流的知识点中涉及到了很多的角度或者正负等，甚至据此计算其他波形电流的电能也成为一个常考的考点，这一点十分值得学生们注意。