(南京市金陵中學(xué)，江蘇 南京 210005)

《靜電場(chǎng)》是高中電磁學(xué)的開篇，本章新概念多，概念間的關(guān)系比較復(fù)雜，同時(shí)突出了比值定義、類比等多種科學(xué)方法，對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力要求比較高，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大.因此，教師在教學(xué)中，需要幫助學(xué)生理清知識(shí)主線，突出兩個(gè)核心概念(E與U)、兩種幾何描述(“線”與“面”)、兩種運(yùn)動(dòng)類型(加速與偏轉(zhuǎn))和兩種科學(xué)方法(比值與類比)，教學(xué)中把握這四個(gè)“兩”，帶領(lǐng)學(xué)生理解物理概念、掌握物理規(guī)律、體會(huì)科學(xué)方法.

1 兩個(gè)核心概念(E與U)

《靜電場(chǎng)》一章有很多新概念，如電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)、電勢(shì)差、電勢(shì)能等，加上電場(chǎng)力、電場(chǎng)力做的功、電容器與電容等概念，學(xué)生初學(xué)時(shí)普遍感到難度較大.

在眾多新的概念中，本章的核心概念是電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)，一個(gè)代表電場(chǎng)力的屬性，一個(gè)代表電場(chǎng)能的屬性.教學(xué)中除讓學(xué)生掌握每個(gè)概念的內(nèi)涵外，還需要特別注意讓學(xué)生理解各個(gè)概念間的聯(lián)系.為幫助學(xué)生深入理解概念內(nèi)涵并明確各個(gè)物理量之間的關(guān)系，筆者建立如下框圖(如圖1).

圖1

引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注圖中坐標(biāo)系：在x軸上方的是描述場(chǎng)力的性質(zhì)的物理量，x軸下方的是描述場(chǎng)能的性質(zhì)的物理量，在y軸左方的物理量是由場(chǎng)的屬性決定的、僅與場(chǎng)有關(guān)的物理量，y軸右方是與場(chǎng)和放入其中的帶電體都有關(guān)的物理量.在x軸上方的是矢量，在x軸下方的是標(biāo)量.標(biāo)號(hào)①-⑦分別提醒學(xué)生理解各物理量之間的關(guān)系.

2 兩種幾何描述(“線”與“面”)

愛因斯坦說(shuō)“對(duì)于一個(gè)學(xué)物理的人來(lái)說(shuō)，場(chǎng)就像椅子一樣客觀存在”.但對(duì)于這樣一個(gè)“客觀存在”，學(xué)生理解起來(lái)卻有一定的困難.電場(chǎng)線與等勢(shì)面則是幫助學(xué)生成為形成一個(gè)清晰概念圖景的重要手段.

教學(xué)的關(guān)鍵在于讓學(xué)生理解電場(chǎng)線與等勢(shì)面的意義.筆者教學(xué)中首先提出一個(gè)情景問題：太陽(yáng)給你溫暖的感覺，你怎么描述出來(lái)？學(xué)生很自然的在太陽(yáng)周圍作出一些線表示光線(如圖2)，這讓學(xué)生理解為什么要引入圖像的描述.

圖2

同時(shí)問學(xué)生為什么沒有人會(huì)畫成右邊圖那樣？讓學(xué)生理解電場(chǎng)線與我們畫的光線一樣表示電場(chǎng)的存在，但線的畫法要有一定的規(guī)則.等勢(shì)面的教學(xué)同樣如此.另外，教學(xué)中同時(shí)要讓學(xué)生掌握典型電場(chǎng)的電場(chǎng)線、等勢(shì)面分布，并能夠通過這些圖景解決一些問題.

3 兩種運(yùn)動(dòng)類型(加速與偏轉(zhuǎn))

本章牽涉力與運(yùn)動(dòng)的問題較多，包括帶電體在電場(chǎng)力作用下的平衡問題與運(yùn)動(dòng)問題.教學(xué)中應(yīng)首先幫助學(xué)生構(gòu)建運(yùn)動(dòng)情景框圖(如圖3).

圖3

解決粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是靜電場(chǎng)中的力學(xué)問題，通常有三條途徑：(1)運(yùn)用勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式和牛頓定律；(2)運(yùn)用動(dòng)能定理和能量守恒定律；(3)運(yùn)用動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律.其中后兩種方法還適用于帶電粒子在非勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)及在電場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等問題.

帶電粒子進(jìn)入加速和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是教學(xué)的重點(diǎn).在教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)生充分展開討論，利用原有力學(xué)知識(shí)解決相關(guān)問題，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.對(duì)于加速問題，可讓學(xué)生回答下述問題：(1)若粒子以速度v0從正極板小孔沿電場(chǎng)強(qiáng)度方向進(jìn)入電場(chǎng)，則從負(fù)極板穿出時(shí)的速度v有多大？(2)若粒子以初速度v0從負(fù)極板小孔沿電場(chǎng)強(qiáng)度方向進(jìn)入電場(chǎng)，粒子作什么運(yùn)動(dòng)？(3)如果不是勻強(qiáng)電場(chǎng)，能否用勻變速運(yùn)動(dòng)公式求出粒子達(dá)到負(fù)極板的速度，為什么？應(yīng)該怎么辦？

對(duì)于偏轉(zhuǎn)問題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)照物體在重力場(chǎng)中的平拋運(yùn)動(dòng),根據(jù)受力、加速度、飛行時(shí)間、側(cè)移距離、末速度v與初速度v0的夾角φ，結(jié)合例題，逐步推導(dǎo)出側(cè)移量y和夾角φ的表達(dá)式，并討論決定φ的因素.掌握側(cè)位移與初速度、側(cè)位移與初動(dòng)量、側(cè)位移與初動(dòng)能、側(cè)位移與加速電壓的關(guān)系.另外需要強(qiáng)調(diào)的重要結(jié)論是：帶電粒子沿兩極板等分平面進(jìn)入板間勻強(qiáng)電場(chǎng),經(jīng)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)飛出時(shí)就好象是從電場(chǎng)中心射出來(lái)一樣，與帶電粒子、偏轉(zhuǎn)電壓及兩極板間距等因素均無(wú)關(guān).

4 兩種科學(xué)方法(比值與類比)

《靜電場(chǎng)》一章教學(xué)注重三維目標(biāo)的落實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)比值定義、類比等科學(xué)方法，讓他們了解科學(xué)家的研究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)方法.

(1)關(guān)于比值定義

場(chǎng)強(qiáng)、電勢(shì)、電容的定義都采用了比值定義的方法.教材特別強(qiáng)調(diào)了比值定義的含義，然而在學(xué)習(xí)中，很多同學(xué)對(duì)比值定義理解不夠，并提出了類似于“為什么a=Δv/Δt是比值定義，但a=F/m不是比值定義？”等問題，因此，教師在教學(xué)中要特別強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：

①比值定義法是在定義一個(gè)物理量的時(shí)候采取比值的形式，這種定義方法往往適用于定義物質(zhì)屬性或特征、物體運(yùn)動(dòng)特征.

②應(yīng)用比值法定義物理量，往往需要一定的條件：間接反映概念屬性的兩個(gè)物理量是已經(jīng)有明確定義并可以測(cè)量的，同時(shí)這兩個(gè)物理量的比值必須是一個(gè)與其無(wú)關(guān)的定值.

③不能將比值法的公式純粹的數(shù)學(xué)化.在建立物理概念時(shí)需明確概念表達(dá)的屬性，掌握物理過程，理解其物理內(nèi)涵.在數(shù)學(xué)形式上用比例表示的式子，不一定就是比值.如公式a=F/m在數(shù)學(xué)形式上象比值，但不具備比值法的本質(zhì)特點(diǎn)，因此不能稱為比值定義.

④對(duì)于比值法定義的概念，要理解定義的過程.以電場(chǎng)強(qiáng)度為例：學(xué)生需要理解引入一個(gè)新物理量的目的是什么(描述電場(chǎng)力的性質(zhì))？如何去進(jìn)行研究？運(yùn)用哪些方法(引入檢驗(yàn)電荷，觀察其受力)？研究中有哪些主要的物理現(xiàn)象、事實(shí)和已知規(guī)律(根據(jù)庫(kù)侖定律計(jì)算檢驗(yàn)電荷的受力)？通過研究得到怎樣的結(jié)論(場(chǎng)強(qiáng)大小與電場(chǎng)力與檢驗(yàn)電荷的電量無(wú)關(guān))？物理量的物理意義是什么(描述了電場(chǎng)本身力的屬性)？

(2)關(guān)于類比

康德說(shuō)：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí)，類比這個(gè)方法往往指引我們前進(jìn).”類比是通過聯(lián)想，把異常的、未知的事物(研究對(duì)象)跟尋常的、熟悉的事物(類比對(duì)象)對(duì)比，然后根據(jù)兩個(gè)對(duì)象之間存在的某種類似或相似的關(guān)系，從已知對(duì)象具有的某種性質(zhì)推出未知對(duì)象具有相應(yīng)的一種性質(zhì).本章在類比教學(xué)中，可通過以下內(nèi)容進(jìn)行：

①庫(kù)侖力與萬(wàn)有引力的比較.它們有相類似的表達(dá)式，有相似的實(shí)驗(yàn)方法，有相似的適用條件(真空中質(zhì)點(diǎn)或點(diǎn)電荷)，有相似的作用(分別提供天體或微觀粒子的向心力).同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生注意對(duì)于微觀的帶電粒子，萬(wàn)有引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于庫(kù)侖力，可忽略.

②電勢(shì)場(chǎng)與重力場(chǎng)的類比：比較兩個(gè)保守力相似的特性，相似的概念引入過程，物體在其中相似的受力與能量特征.

③電容概念的建立：電容概念的引入，可以用水容器儲(chǔ)水能力的大小類比儲(chǔ)電荷的電容器容納電荷本領(lǐng)的大小.對(duì)儲(chǔ)水的容器只有作出某一規(guī)定，如規(guī)定了水位每上升1cm所儲(chǔ)的水量多容器儲(chǔ)水能力就大，即可比較不同的容器儲(chǔ)水能力的大??；所以，我們?nèi)绻?guī)定電容器兩極間的電壓升高1V所需充的電量多的，其容納電荷的本領(lǐng)就大，就可以用電容器所帶的電量Q跟兩極間電壓U的比值，定義電容器的電容.

總之，在教學(xué)中把握靜電場(chǎng)教學(xué)的四個(gè)“兩”——兩個(gè)核心概念(E與U)；兩種幾何描述(“線”與“面”)；兩種運(yùn)動(dòng)類型(加速與偏轉(zhuǎn))；兩種科學(xué)方法(比值與類比)，將有利于幫助學(xué)生深入的理解物理概念，清晰的構(gòu)建知識(shí)體系，全面的提升科學(xué)素養(yǎng).