让思维贯通教学 让素养无痕生成——“电势能和电势”教学反思

(江苏省梁丰高级中学,江苏 苏州 215600)

1 引言

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质。笔者基于物理核心素养导向，设计“电势能和电势”的教学,在知识建构的过程中下功夫,设计系列核心问题,创设真实情境,让学生在与情境的有效互动中,深度体验科学探究,习得科学思维方法,建构物理概念和规律,提升物理核心素养。

2 导入自创实验,激发学习兴趣,点燃思维火花

图1

演示实验：金属小球通过绝缘细线悬挂于两极板间,用静电感应起电机给平行板电容器充电并保持连接(如图1)。要求学生观察小球在电容器极板间的运动情况,并分析原因。

实验操作1：用绝缘棒拨动小球与一带电极板接触,由静止释放。

生：小球在两板间摆动,能撞到极板，并发出响亮的撞击声。

师：小球与一带电极板接触带上同种电荷,释放后受静电力排斥,摆向另一极板,接触瞬间带上同种电荷,因排斥摆回撞到原来的极板,重复这样的运动,一直来回摆动。

实验操作2：将静电感应起电机两金属球短接使电容器放电。

生：小球仍在两板间摆动,但不再撞到极板。

师：为什么不再撞击极板？

生：没有电场,小球不再受到电场力作用。

兴趣是动机的先导,是思维的源泉。“电场摆”演示实验为学生提供直观、感性的材料,激发学习兴趣,引发求知欲望,点燃思维火花。笔者在设计实验时,力求新奇生动,富有吸引力,使课堂更具趣味性和启发性,让学生感受物理之美,进而养成终身学习的习惯,促进适应个人终身发展所需的必备品格与关键能力的形成。

3 基于核心问题,提炼物理规律,建构物理概念

3.1 探究电场力(静电力)做功的特点

思考与讨论1：如图2所示，在匀强电场中试探电荷+q分别沿路径1、2、3从A点运动到B点,计算这几种情况下静电力对电荷所做的功W。

图2

生：(1)q沿直线1从A到B，静电力做功W=F|AB|cosα=qE|AC|；

(2)q沿折线2从A到B，静电力做功W=F|AC|+F|CB|cos90°=qE|AC|；

(3)q沿曲线3从A到B(采用无数组跟静电力平行和垂直的折线来逼近曲线AB的方法)，静电力做功W=W1+W2+W3+……=qE|AC|。

师：通过以上推导结果,可以得出什么结论？这与什么力做功相似呢？

生：静电力做功与路径无关,只与电荷的起始位置和终止位置有关，静电力做功与重力做功相似。

推广：由匀强电场推导出来的这个结论,也适用于非匀强电场。

借助典型例题,引领学生体验用极限方法求解问题,并通过分析3个小问的推导结果,提炼物理结论,培养学生分析、归纳知识的能力,让学生真切感受科学思维的魅力,提升物理核心素养。

3.2 探究电势能

师：演示自由释放粉笔头,重力做功使重力势能转化为动能,那么在演示实验中静电力做功,是什么能转化为动能呢？

生：其他形式的势能。

定义：电荷在电场中具有跟位置相关的势能叫做电势能,用符号Ep表示。

思考与讨论2：静电力做功与电势能变化有什么关系？

(1) 类比重力做功与重力势能变化关系猜想。

生：由重力做功等于重力势能的减少量,猜想静电力做功等于电势能的减少量。

图3

(2) 实例分析：如图3所示，带正电的点电荷不计重力，先后分别将正电荷“从A点移到B点”和“从B点移到A点”。

师：①电荷所受静电力方向向右,位移向右,所以静电力做正功,由动能定理，动能增大；由能量守恒定律，增大的动能是由减少的电势能转化而来,即WAB=ΔEk=-ΔEp。

生：②静电力做负功,由动能定理知：动能减少；由能量守恒定律知：减少的动能转化为增大的电势能,即WAB=ΔEk=-ΔEp

总结：静电力做的功等于电势能的减少量，即：WAB=-ΔEp=EpA-EpB。

基于核心问题,引导学生两次通过知识的类比,分别引出电势能概念,在亲历猜想、实例分析和理论推导后,提炼静电力做功与电势能变化关系,让学生深刻体验到新知识的得出也可以通过类比旧知识而获取,提升了学生理论分析能力、逻辑思维能力和知识迁移能力,无痕培养物理核心素养。

思考与讨论3：在上题中,点电荷从A点移到B点,电场力做功4×10-9J,再从B点移到D点,克服电场力做功3×10-9J,求：(1) 点电荷从A点移到B点,再到D点的全过程电势能变化了多少？(2) 取B点为零电势能点,则点电荷在A点的电势能为多少？D点呢？(3) 若取D点为零电势能点,则点电荷在A点和B点的电势能各为多少？

生：(1) 由题意知WAB=4×10-9J,WBD=-3×10-9J,全过程电场力做功WAD=WAB+WBD=1×10-9J,做正功，所以电势能减少1×10-9J。

变式1：若为带负电的点电荷呢？

生：若电性为负,则WAB=-4×10-9J,WBD=3×10-9J,全过程WAD=WAB+WBD=-1×10-9J,做负功，所以电势能增加1×10-9J。

师：点电荷电性不同,所受电场力方向相反,所以同样从A点移到B点，即经过相同的位移，静电力做功正负相反,电荷电势能变化正负相反。这是重力场中重力做功与电场中静电力做功的差别。所以,利用类比学习、迁移相关知识时要注意差异性。

生：由(2)知EpB=0,因为静电力做的功等于电势能的减少量WAB=EpA-EpB=EpA-0,所以EpA=WAB=4×10-9J。

总结：电荷在某点的电势能,等于静电力把它从该点移到零势能点所做的功。即EpA=WAB(以B为电势能零点)。规定：通常取大地表面或离场源电荷无限远处为零电势能点。

生：(2)同理EpD=WDB=-WBD=3×10-9J。

生：(3)EpD=0,所以EpA=WAD=1×10-9J，EpB=WBD=-3×10-9J。

变式2：若点电荷带负电呢？

生：若点电荷带负电,则WAB=-4×10-9J,WBD=3×10-9J,所以EpA=WAD=WAB+WBD=-1×10-9J,EpB=WBD=3×10-9J。

师：在(2)、(3)中零电势能点选取不同,同一点电荷在同一点A的电势能不同,得出电势能的相对性:与零势能点的选取有关,先确定零势能点的位置才能确定电荷在某点的电势能,由(1)知电荷在某两点之间的电势能之差与零势能点的选取无关。

师：电荷在(3)中B点的电势能为负值,表示电荷在该处的电势能比零还要小,得出电势能是标量,无方向但有正负。

师：在(3)中,零电势能点不变,仅改变电荷电性后在同一点的电势能不同,得出电势能与电荷有关。若电场消失呢,该电荷还具有电势能吗？显然没有了,电势能由电场和电荷共同决定,属于电场和电荷系统所共有的,具有系统性。

总结：电势能的特点——相对性、标量性、系统性。

聚焦物理概念,精心设计问题,创设不同情境,依托教师导学,引领学生思维由表及里,由浅入深,循序渐进,有效化解难点,自主建构物理知识。让学生深度体验物理规律的提炼和物理概念的建构过程，以培养其物理核心素养。

3.3 探究电势

师：我们用什么方法来定义电场强度？

生：通过试探电荷在电场中所受静电力与电荷所带电量的比值来定义。

师：下面我们再用比值定义法探究描述电场性质的一个物理量。

图4

思考与讨论4：如图4所示，取O点的电势能为零,则电荷+q在A处的电势能为多少？

生：EpA=WAO=qELcosθ。

表1

师：由表1可知：比值EpA/q与试探电荷的电荷量及正负均无关,且比值在电场中同一点是相同的；而在不同点该比值一般是不同的,所以只与电场及该点在电场中的位置有关。

师生互动,得出结论,建立电势概念，对定义、表达式、单位和意义做相关讨论。

通过复习电场强度的比值定义法,引导学生深度体验后自主建构电势概念,并能进行简单描述,培养了学生分析、归纳知识的能力。

思考与讨论5：在“思考与讨论3”中,点电荷电量为1×10-9C,则(2)、(3)中各点的电势分别为多少？

生：由(2)知EpA=4×10-9J,EpC=3×10-9J，所以φA=EpA/q=4V,φC=EpB/q=3V。

生：由(3)知EpA=1×10-9J,EpB=-3×10-9J,所以φA=EpA/q=1V,φB=EpB/q=-3V。

变式3：若(3)中点电荷带负电如何？

生：EpA=-1×10-9J,EpB=3×10-9J,所以φA=EpA/q=1V,φB=EpB/q=-3V。

师：在(2)、(3)中零势能点(即零电势点)选取不同,同一点A的电势也不同,得出电势与零电势点的选择有关,即具有相对性。注意：零电势的选择是任意的,通常取大地或无穷远处为零。

师：在(3)中B点的电势为负值,表示电荷在该点的电势比零还要小,电势是标量。

师：在“思考与讨论4”中比值Ep/q与试探电荷无关,只与电场本身有关,得出电势的固有性。

基于核心问题,进行类比,导出电势特性,领悟知识的相通性,发展了学生科学思维,并将其内化为处理未知问题的品质和能力,无痕培养了学生的物理核心素养。

讨论与交流：沿着电场线移动正电荷,电场力做正功,电势能减小,电势减小。沿着电场线移动负电荷,电场力做负功,电势能增大,电势减小。从而得出“沿着电场线方向电势逐渐降低”的结论。

在整个教学过程中,笔者只是提出问题,创设情境,适当启发和点拨,学生自主探究,深度体验,建构概念,提炼规律,巩固提升,掌握知识,体验成功的快乐,感受科学思维,品质得到了培养,智力得到了发展。从而实现了让思维贯通教学,让学习真正发生,让核心素养的培养目标无痕达成。

4 结语

基于物理核心素养导向的课堂教学,要求教师在教学中不断为学生创设问题解决的机会,激发学生的学习兴趣,积极动脑猜想与思考、讨论与交流,自主获取知识,在主动探究的深度体验中养成行为习惯,发展关键能力,让学生在今后的生活和工作中遇到未知问题时,会运用科学方法来解决,这种收获让学生终身受益,也体现了物理教学对提升学生核心素养的独特作用。

基于物理核心素养导向的课堂教学,要求教师的每一节课不再只是简单的“复制粘贴”,而要有所创新,从“知识传递”转向“知识建构”,这就需要教师不断学习,提升自己,凝练教学主张,形成独特风格,提高课堂教学有效性。