“静电现象的应用”教学中促进深度理解的几点思考

陶聪燕

(浙江省玉环中学 浙江 台州 317600)

“静电现象的应用”是在学习了电场的基本性质之后，对核心内容的深入研究和拓展应用，意在提高学生综合运用物理知识的能力.本节课的教学目标明确要求通过对放入静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论，了解静电平衡的概念，知道处于静电平衡的导体特征和电荷分布特点，以及尖端放电和静电屏蔽现象.本节内容抽象，在生活、生产中涉及面广.其中静电感应、静电平衡、静电屏蔽等概念对学生来说十分深奥.

金属导体放在电场中，达到静电平衡状态是一个非常快的过程.学生无法亲眼看到导体内部发生的变化，但对这一过程的分析却又十分重要.虽然经历了理论分析，前概念中绝缘体带来的“安全感”却是根深蒂固的，在分析过程中极易出现思维定势和主观臆断的不良倾向.演示实验的操作要求以及相应的理论解释需要在教材的基础上进一步精细化分析.如何改进教学方式，调整教学策略，突破难点的同时让学生能有更直观深刻的感性体验和深度理解是本文所探讨的重点.

1 构建直观模型 展现感应电荷的产生过程

导体呈电中性，将导体置于电场中，学生很容易理解为正负电荷分别受到反向电场力，在导体左右两侧聚集.但实际上正电荷受束缚力较大是无法定向移动的.在只有电子定向移动的过程中，正负感应电荷是如何产生的呢？学生的第一反应是认为最左侧电子直接跳到最右侧.那为什么中间的电子没有动？实际上所有的电子都发生了移动.

准备红、黑两种磁扣，在红色圆形磁扣上标记“+”表示正电荷，略小的黑色磁扣上标记“-”表示电子，如图1所示.

图1 红、黑磁扣及其标记

结合板画，将磁扣吸附在黑板上，示意图如图2所示.

图2 磁扣吸附在黑板上示意图

电子在电场力作用下发生定向移动，左边第一个电子离开正电荷到达左侧边界，第二个电子进行补位，再第三个、第四个依次补位.随着电子不断地向左侧移动，最右侧正电荷未能与电子中和，因此导体右侧呈正电性.将相互中和的正负电荷隐藏，突出感应电荷分布左负右正的导体.

以直观模型代表微观粒子，呈现微观状态，进而引发学生深入思考.逐步演绎感应电荷的产生，剖析动态过程，给予亲身体验帮助学生建立正确的认知.在降低理解难度的同时提高建模能力.这种微观现象直观化的操作是研究微观运动的一种重要手段.

2 隐藏外电场 展现感应电场的形成与稳定过程

提出问题：导体内部电子会源源不断地向左边移动吗？

这个问题的难度是非常大的.学生眼中通常只看到外加电场，很难发现导体中产生了感应电场.教师在分析时可以通过动画将外加电场隐去，为学生发现感应电场做铺垫，如图3所示.

图3 隐藏外电场展现感应电场的形成

导体两侧累积的正负电荷使得两侧产生电势差，会在导体内部产生由正电荷指向负电荷的感应电场.该电场会使其余电子受到向右的电场力F感.再将外加电场重新呈现出来，它与感应电场的方向是相反的，给予电子向左的电场力F外.随着导体两侧正负电荷的积累，感应电场增强，电子受到的感应电场力增大.当其大小与外加电场力大小相等时，电子达到受力平衡状态，便不再定向移动，此时导体内部合场强为零.正负电荷相等，即净电荷为零.

为加深理解，可将圆形导体置于非匀强电场，如图4所示.

图4 圆形导体置于非匀强电场中

3 对比实验 破除静电场中绝缘体带来的“安全感”

不论是“达人秀”中的表演视频，还是高压维修工具，学生观念中的安全材料肯定是绝缘体.虽然已经学习了静电平衡和静电屏蔽，却不足以克服学生的思维定势.为了破除这一障碍，可以从理论和对比实验相结合的方式进行以下操作.

将两个平行金属板相对放置，间隔0.5 m，并用手摇发电机充电.在两金属板中间放置验电羽，可观察到羽毛飞起来.先后用金属鸟笼和透明塑料盒罩住验电羽，对比实验现象，让学生从理论角度分析塑料盒不起“隔绝”作用的原因.突出绝缘体中没有自由移动的电子，无法达到静电平衡状态，不起屏蔽作用.既是对理论知识的应用，也能够破除学生前概念影响，进一步认识到静电场中导体带来的安全感.

4 深度分析 理解“电风”吹蜡烛实验中的静电现象

“在一个导体尖端附近放一根点燃的蜡烛.当我们不断地给导体充电时，火焰就好像被风吹动一样，朝背离尖端的方向偏斜.”对于上述实验现象，现行教学中的解释为：……尖端附近电场很强……与尖端上电荷异号的离子受到吸引，最后与尖端上的电荷中和，与尖端上电荷同号的离子由于排斥而飞离导体，形成“电风”吹向蜡烛.

仔细一想就会发现，既然“电风”是离子定向移动形成的，实验中正负离子反向定向移动，应存在两股反向“电风”，为何蜡烛只朝一侧偏离？

这是因为火焰是电离剂，在蜡烛火焰中产生了正负离子和电子.由于电子质量远小于离子，容易扩散出火焰之外，使得火焰呈正电性.当尖端带正电时，火焰由于受到排斥力及“正电风”作用而背离尖端偏斜，甚至有可能被吹灭.当尖端带负电时，火焰所受吸引力和“负电风”是反向的.当起电电压、距离等因素把控不当时，不仅吹不灭火焰，还有可能出现倒吸现象.反复实验发现，电极接正且将蜡烛置于4～5 cm距离内，可吹偏甚至吹灭火焰.

通过直观模型为学生搭建“看得见”的微观世界，带领学生共同参与讨论这一过程，突出重点，突破难点.通过隐藏干扰因素，让学生发现感应电场，降低理解和分析难度.以静电场中导体与绝缘体的对比实验，突出静电场中的安全因子源于自由移动的电子，以此来破除学生的前概念影响.精细化分析教材中较为模糊的实验成因，培养学生批判质疑、勇于探究的科学精神，促使核心素养的提升.