电势差教学中演示实验的探究

李秀芬

摘 要：实验是物理的灵魂，演示实验是最高效的物理实验教学策略。电势差这一知识点概念性强、抽象、理解难度大，又是高考的重点，教材中对这一知识点没有编排演示实验，使得电势差的教学成为教师课堂教学中的“难题”。本文通过高效精彩的演示实验，将抽象的电势差概念具体形象化，赋予枯燥难懂的电势差灵性，打破以往“灌输式”的教学模式，开创了电势差教学的新思路。

关键词：电势差 电场力做功 等势面 高效课堂

孤立带电体很难与周围环境绝缘，空气和实验操作中的接触都会使带电体的电荷量迅速减少，使其很难形成稳定而强大的电场，这就是教材中电场这部分内容没有编排演示实验的原因。而范式起电机能很好地解决这个问题。

范式起电机（Van de Graaff generator）是一种能产生很高电压的静电高压发生装置。如图所示，大金属球电极由有机玻璃圆筒支撑，上下有两个辊，下辊与电机相连。当接通电源时，下辊通过胶带带动上辊运转，这样上辊与胶带摩擦产生负电荷，大量的负电荷就被上辊旁的上集电梳收集到大金属球电极上；同时，胶带与上辊摩擦产生正电荷，大量的正电荷被胶带输送到下辊，被下辊旁的下集电梳收集进入大地。而下辊产生的负电荷，由胶带运送到上辊，被上集电梳收集到大金属球电极上。电机不停地运转，不断反复上述过程，从而产生很高的电位。在实验中范式起电机的大金属球电极就充当了“场源电荷”的角色。由于起电机能源源不断为大金属球电极输送电荷，所以大金属球电极的带电量不会因为周围环境的影响而减少，它就能产生稳定而强大的电场，供教师进行电势差的演示实验。

有了稳定而强大的电场后，下面就来做一个神奇而有趣的实验——在电场中点亮日光灯管。这个奇妙的过程能够十分形象地说明电场中电势差是客观存在的。具体做法如下：

首先，准备实验仪器。范式起电机和日光灯管必不可少，还需要方便操作的绝缘橡胶手套。

然后，便是具体操作。先将日光灯管固定在玻璃支架上，将灯管沿着金属球半径方向水平放置，要保证灯管与金属球高度相同，这样实验现象才会更明显。然后打开范式起电机，就可以看到日光灯管亮了！如图1所示，没有通电，日光灯却能发光，这是多么神奇呀！

图1

接着，让日光灯管远离金属球，放置方位不变，戴上手套，用手握住日光灯管，打开范式起电机，将日光灯管缓慢地移近金属球，可以观察到日光灯管越来越亮，直到最后可以照亮整个教室。如图2所示，没有通电，日光灯管从哪儿得到这么大的能量？真是太神奇了！

图2

紧接着，还有更神奇的现象。用一根接地线接触灯管的远端，可以看到整个日光灯管都亮了！如图3所示。

图3

最后，改变日光灯管的位置，将日光灯管沿着与金属球半径垂直的方位水平放置，日光灯管竟然不亮了！

这个神奇而又有趣的演示实验能说明什么呢？怎样围绕实验现象开展电势差的教学呢？有了这个有趣的演示实验，就能直观又形象地引入“电势差”的概念。比如，设计问题：“灯管亮了说明了什么？使灯管发光的能量是从哪里来的？”启发学生思考并总结：灯管亮了说明灯管两端有电压，也就是存在电势差；灯管处于金属球的电场中，那么电势差就是由金属球的电场提供的。使灯管发光的能量是通过电场力对带电粒子做功由电势能转化而来的。

由演示实验引入电势差，既直接又形象。学生真真切切地看见了电势差存在的证据，印象深刻，实验法要比类比法和讲解法更易于让学生接受，大大降低了学生的理解难度。教师不需要过多的语言，也大大降低了教师的教学难度，真正实现了高效教学。所以，用演示实验引入电势差概念是教学上的创新和突破。

引入电势差概念之后，就可以利用演示实验帮助学生准确地理解电势差的物理意义，即电势差是描述电场能量的物理量，通过实验还可以解释电势差和电场力做功的关系。设计这样的问题：“将灯管缓慢地水平移近金属球，灯管为什么越来越亮？”启发学生分析：将灯管缓慢地水平移近金属球，灯管越来越亮说明灯管两端的电势差越来越大。从电场力做功的角度看，越靠近金属球，电场力越大，相同的位移电场力做的功就越大，转化的电势能就越多，灯管获得的能量就越多，灯管就越来越亮。而用一根接地线接触灯管的远端，灯管远端的电势变为零，灯管两端的电势差更大了。最后总结：电势差越大，电场力做的功越大，电势能转化得越多，实验现象与公式WAB=qUAB的表述一致。可以用图4描述这个过程。

理解清楚电势差的物理意义之后，还可以利用这个演示实验帮助学生总结点电荷电场等势面的特点。同样，为了引导学生思考，设计这样的问题：“将灯管沿着与金属球半径垂直的方位水平放置，灯管为什么不亮了？”启发学生总结：将灯管沿着与金属球半径垂直的方位水平放置，灯管不亮了，因为灯管两端接近等势，电势差接近于零。用实验研究等势面是物理教学的新思路、新方法。对于学生来说，能从实验中亲自总结出等势面的特点，加深了他们对等势面概念的理解。图5描述了这种情形。

综上所述，电势差概念的引入、电势差与电场力做功的关系、点电荷电场等势面的特点，这三个教学重难点都可以通过“在电场中点亮日光灯管”这个演示实验突破。通过日光灯管的发光现象给大家展现看不见摸不着的电势差，化抽象枯燥为形象有趣，活化了电势差和等势面这样抽象难懂的概念，能很好地帮助学生理解电势差和等势面的知识。解开这个神秘的现象，便看到了电势差的真实存在。神奇的演示实验现象激发了学生的求知欲望，且该实验操作简单，现象明显，不易失败，非常适合课堂现场演示，使电势差的课堂教学简单易行，课堂效率大幅度提高，这种探索和改进可以说为电势差教学开创了一条新途径。