模拟法测绘静电场实验教学结合课程思政教育的探讨

2020-01-08朱华丽唐贵平黄小青邓小清

科教导刊 2020年18期

朱华丽唐贵平黄小青邓小清

（长沙理工大学湖南·长沙 410114）

0 引言

模拟法测绘静电场是高等院校大学物理电磁学部分的重要实验项目，实验要求学生认真学习用模拟法描述和测绘静电场分布的概念和方法，通过实验测量等势线，描绘电场线，从而加深对静电场强度、电势和电势差等概念的理解。[1]为了提高实验教学质量，已有一些文章对本实验的教学进行了一系列的讨论，如静电场描绘仪实验装置的改进，[2,3]交流信号源的研制，[4]导电介质的研究，[5]实验数据处理讨论等。[6,7]这些文章主要是围绕经典教学展开，对于如何在实验教学中融入课程思政教育的讨论非常少。新形势下，如何创新教育教学方式方法，将价值导向与知识导向相融合，切实将实验课程思政教育融入教学设计，弘扬社会主义核心价值观，培养学生的科学精神，值得我们深入思考。因此，在这一思想的引领下，本文基于模拟法测绘静电场的实验，对大学物理实验教学改革进行了如下探讨。

1 课程教学过程

“课程思政”建设的基础在于“课程”，没有好的课程建设，“课程思政”功能就成为无源之水、无本之木。因此，教研室在长期实验教学积累的基础上主编了“十二五”规划教材，在模拟法测绘静电场实验教学中，我们探索了“三个（为）什么”的提问式教学法，按着讲解的先后，将实验背景、实验原理和实验操作及内容有机串联起来。

（1）一问“为什么要用模拟法测绘静电场？”阐明实验的意义和背景。随着静电现象、应用和防护的深入研究，常需要确定带电体周围的电场分布。它是了解电场中的一些物理现象或控制带电粒子在电磁场中的运动所必需解决的问题，有利于科研和生产，例如用测量电子管、示波管、显像管和电子显微镜等多种电子束管内部电场的分布来研究其电极的形状等。但是，用计算方法求解静电场分布一般比较复杂和困难，而直接测量静电场需要复杂的设备，对测量技术要求也很高，比如，当测量仪器的探针进入静电场以后会引起静电感应，产生感应电荷，从而破坏原有静电场的分布。因此，直接法测绘静电场是非常困难的，那我们就想能不能用间接法来测量呢？通过理论研究和实验证明，我们找到了一种间接测量的方法——模拟法来测绘静电场。

（2）二问“用什么模拟静电场？为什么可以这样模拟？”解决本实验的原理问题，这一部分是重点讲解内容。由电磁学理论可知，电解质中稳恒电流的电流场与电介质（或真空）中的静电场具有相似性。选取同轴圆柱形电极具体说明电流场与静电场的相似性，分别运用静电场和电流场理论推导静电场和电流场当中电势分布规律的物理表达式，从而得到静电场与电流场的电势分布是相同的，可以通过模拟法进行测绘的结论。其中，对于模拟条件的讨论，教师需对照同轴圆柱面间静电场示意图和同轴电极的电流场示意图详细讲解，以引导学生加深理解和正确应用模拟法。指出须使用高内阻电压表或电位差计检测电流场中各等电位点，测量支路不从电流场中取出电流，因而不影响电流的分布。这解决了直接测量静电场时，探针的放入将产生感应电荷而破坏静电场原有分布的问题。

（3）三问“静电场的测绘方法是什么？”引入到教师演示和学生独立操作。带电体在其周围空间所产生的电场可以用电场强度E和电势U的空间分布来描述，更形象一点就是采用等势面和电场线来描述电场。电场线是按空间各点电场强度的方向顺次连成的曲线，等势面是电场中电势相等的各点所构成的曲面。电场线与等势面是相互正交的，有了等势面的图形就可以画出电场线，反之亦然。我们所说的静电场测量就是指测绘出静电场中等势面和电场线的分布图形。因为U是标量，E是矢量，实验测量电势比测定场强容易实现，所以先通过实验操作找出一系列的等势点，绘出等势线，再画出电场线，从而表征静电场分布。

实验内容规定，原理推导时选用的同轴电缆的静电场分布属必测内容，然后从平行轴电极、点与平板电极或聚焦电极三个电场分布中，选做1～2个静电场，这些属举一反三、难度提升的实验内容，用以加深学生对各种形状的静电场分布的认识。

2 实验过程中的若干问题

2.1 同轴电缆等势线半径的确定

一般从同一条等势线上的9个等势点中选择3个点（尽量互成120°）作三角形，通过三角形外接圆圆心的确定方法（任意两边的垂直平分线的交点）得到一个半径，用同样的方法再确定另两个半径后，最后求三个半径的平均值。这种方法得到的实验结果标准差小，说明其与理论值很接近。

2.2 根据等势线描绘电场线的方法或原则

基于以下三点描绘电场线：（1）电场线与等势线相互垂直；（2）描绘的每一根电场线自正极出发汇入负极的过程应保持连续和唯一的性质；（3）等势线越紧密的位置处，电场线也应该越紧密，反之亦然。静电场中电场线的疏密表示了电场的强弱，在模拟法中电流密度的大小也可用电流线的疏密来表示。[2]学生只要掌握了以上方法或原则，不管遇到形状多复杂的静电场，都可以在测绘出等势线的基础上描绘出电场线，从而表征出相应静电场的分布情况。

2.3 平行电极静电场边缘的等势线严重畸变的问题

由于实验仪器采用的导电玻璃只能是有限尺寸的长方形，在导电玻璃边缘处电流只可沿边缘流动，因此描绘出的等势线必然与边缘垂直，造成电场分布的严重畸变，这就是用有限大的模拟模型去模拟无限大的空间电场时必然会受到的“边缘效应”的影响。一般来说，不可能使用“无限大”的导电玻璃进行实验，所以我们如果要减小这种畸变影响，需要人为地将导电玻璃的边缘切割成电场线的形状。

2.4 静电场等势线不对称的原因

平行轴电极静电场中等势线不对称主要是由于导电介质与正负电极间的接触电阻不等，造成等势面向一侧偏移。一般实验过程中都要通过调节电极螺母的松紧使接触电阻消除，避免其影响描绘结果的对称。[8]另外，导电薄膜有破损、薄膜厚度不均匀或导电介质导电率不均匀也有可能使等势线测绘出现偏差。

除了以上问题，授课教师在课前要做好实验仪器的清理及检修等预备工作，如尽量消除探针针尖氧化、导电膜破损、探针与导电介质接触面不充分、同步探针不在铅垂位置等不利因素。鉴于个别仪器因使用频率高导致不稳定的运行状态，不苛求测量数据的精确，而是把实验存在的误差原因留到课后实验报告中分析讨论，更有助于学生理解实验原理及实验误差。教师还应鼓励学生在线提交实验数据处理和分析结果，对于计算机技能好的学生，还可以建议其利用计算机软件（如Origin[7]或Matlab[9]）绘制等势面和电场线，不仅使学生能认识到学有所用，而且能促进不同学科知识的融合，为今后的科研活动打下初步的基础。

3 在经典教学基础上融入课程思政的几点探索

3.1 引入物理学人物

我们的时代是电的时代，有许多物理学家对电磁学的发展做出了卓越的贡献。其中，迈克尔·法拉第是英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家。通过对静电场的研究，法拉第把电力线的重要概念引入物理学，来解释电、磁现象，为当代物理学中的许多研究开拓了道路。法拉第刻苦自学，从一个小学都没念完的装订学徒工跨入世界第一流科学家的行列，法拉第的成长经历说明，攀登科学高峰的路尽管崎岖，但只要坚持不懈的努力，就可以到达顶峰。通过在开始讲解实验课内容前，简要介绍科学家励志成长的故事和对人类社会的贡献，将学生的注意力引入物理实验课堂，潜移默化地激励学生刻苦钻研，勇攀科学高峰，为中华民族乃至全人类的发展夯实基础知识，提高专业素养。这部分课程思政教育放在教学内容1.1之前。

3.2 培养间接思维

模拟法是科研或工程技术中一种重要的实验研究方法，属于间接测量法。它是指不直接研究某物理现象或物理过程的本身，而是用与该物理现象或过程相似的模型来进行研究的一种方法。在讲解模拟法时，简单提及科学家用实验模拟几十亿年前地球形成初期，大大小小的星球撞击地壳表面形成许多凹凸，成功地论证了高山、海洋的形成原因。在科研中遇到直接解决不了的问题，我们会想到间接方法处理。那么，联想到同学们日常学习和生活中如果遇到难题或难事，同样需要我们积极应对，广开思路、培养间接解决问题的思维方式，要相信“办法总比困难多”。这部分课程思政教育放在教学内容1.1后。

3.3 “知行合一”的科学发展观

通过实验操作，记录等势点，绘出等势线，画出电场线，并进行数据处理和误差分析。通过实验得到同轴电缆静电场各等势线的半径r后，在坐标纸上做lnr和Ur函数关系图，验证两者的线性关系，这与原理推导出来的静电场和电流场电势分布规律相一致，这也就验证了本实验的原理——高斯定理。这说明，用理论可以指导实验，而用实验数据反过来又可以验证所采用的的实验原理，从而形成一个相互验证、相辅相成的有效循环。从对整个实验的贯穿，联想到日常的学习、工作与生活，我们要注重理论结合实际，用理论指导实践，用实践证明理论，践行“知行合一”的科学发展观。而科学发展观的学习重在“真知”，科学发展观的实践重在“善行”。我们要格物致知，同时通过实践出真知。这部分课程思政教育放在教学内容1.3后。

3.4 发现“不对称美”，提升理性思维

前面2.4已分析静电场等势线不对称造成的原因和解决方法。结合课程思政，可以使学生对实验的重要条件之一“电流场必须均匀，介质的导电率必须均匀”从理性—感性—提到更高的理性认识。同时，这种“不对称美”从另一角度也可以对实验课程带来一些有意义的讨论和影响。它可以培养学生善于发现问题的科学精神，增强学生多角度分析问题的理性思维，并提升学生解决实际问题的专业能力。